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ALTERA实现NIOS最小系统的三个部件

发布时间:2019-07-16 07:35 来源:未知 编辑:admin

  从最初的占地170平方的第一代ENIAC计算机开始,计算机开始了不断集成化、小型化的发展之旅。现今在单一芯片内部已经能够集处理器,存储,各型协处理器等,从而形成的强大的单芯片的片上系统(SOC),而这些片上系统已存在于生活的方方面面。因此和XILINX已各自推出了各自应用片上系统(FPGA领域称之为SOPC,因此其片上系统可以根据业务需求来定义)。

  只需几K的资源,就能实现一个SOC的最小系统,对于FPGA工程师来说,没什么比这个更有吸引力了。那么,作为一个片上系统来说,其最小系统应该包含哪些:其至少需要三个部件,执行部件(处理器),程序执行部件(内部存储器),输出部件(输入输出单元)。(其分别相当于PC上的CPU、内存条,键盘鼠标显示器)。下图所示在ALTERA的QSYS上实现NIOS的最小系统所需部件。

  (1) 处理部件:NIOSII为ALTERA器件中所专有的软核处理器,而xilinx所对应的为microblaze的软核。通过在Qsys的界面工具中提供许多IP,而NIOSII也提供三个版本提供使用,分别是高速型,标准型,以及经济型。如果FPGA内部逻辑有限,可选择的经济型,其占用资源较少。如果需要内部资源丰富又需要运行嵌入式操作系统uclinux等复杂软件。则建议选择高速型,而要运行linux等操作系统,则在NIOSII高速型中配置MMU则是必须的。如无具体需求,则使用标准型即可。值得一提的是,NIOSII为哈佛型体系结构,即数据和指令分开,从Qsys可以看出,其接口分为指令接口和数据接口。

  (2) 存储部件:对于在FPGA内部实现SOC来说,片内的块RAM就是实现SOC内部程序与数据的存储空间。也可以使用片外的存储区,如片外SRAM或者DDR等。也可以作为程序和数据的存储空间。对于NIOSII处理器来说,只有选取了片内存储区或者片外存储区,才能设定程序中断向量和复位起始位置的存储区。另外,虽然AVALON总线支持数据总线和地址总线通过片上互联同一接口访问单端口RAM。但建议使用时,例化为双AVALON接口的双端口RAM,一则是因为一般存储区所需RAM深度够大,一般支持真双端口RAM,另一方面,数据和指令分开,能够提升系统的性能。

  (3) 输入输出部件:通常在嵌入式SOC系统中,最常用的输入输出部件就是串口(UART)。常常被应用于(打印printf(),scanf())函数的输入输出。如果系统设计了串口(一般为SOC系统中所必须的),则例化系统中的支持avalon接口的串口即可,如果系统中不幸没有,那么ALTERA公司提供了JTAG-UART接口提供给用户输入输出交互接口。即通过复用JTAG下载线来模拟串口的操作。如果系统中有多个输出输出设备,如有多个UART,则在编程时,需在BSP的环境中设定,选择使用哪个UART作为系统的输出。

  使用ALTERA的Qsys工具可以方便的在FPGA上构建SOC系统。只需选择相应的IP(可以是系统自带,也可以使用自己构建支持avalon-mm接口的IP)。通过系统的互联从而构成一个片上系统。图形化的界面只需通过avalon总线连接信号将NIOSII和外设连接在一起即可。连接完毕后,还需要下面操作:

  (1) 为每个外设设定地址,例如上图中RAM和JTAG-UART,每个外设都需要一个地址范围,可以点击系统中自动地址分配,也可以手动分配一个区间。只有为每个外设分配地址后(相当于整个系统的门牌号),处理器才能根据地址来访问各个外设。

  (2) 如外设有中断,则为外设分配中断号,也可自动或者手动完成。如不分配中断的话,那么处理器访问外设,只有查询一种交互方式了。中断方式使用可以减少处理器的负载。

  在ALTERA的QSYS工具中,硬件信息全部存储在sopcinfo。主要是包括各个外设的地址信息等,用于产生system.h。也就是说,作为软件和硬件的交互的渠道是每个外设的基地址,中断,和内部寄存器等信息。系统构建结束后,剩下的就可以软件编程了,运行在搭建的SOC系统上的第一个“hello world”的程序。

  对于现在FPGA上的SOC设计,厂商为了其方便易用,做了大量的工作,只需按照其指南一步步,就可以实现相应的设计,但同时,也限制了对其基本原理的深入的理解。什么事情都有其两面性,作为FPGA工程师,SOC的原理则应该能够重点关注,这样不论是ALTERA还是XILINX其基本原理也是一致的。如不使用厂家的处理器核(NIOSII、microblaze),也可以使用其他的软核(如51等,ARM)在FPGA上实现SOC系统。只不过原来工具做的工作,就需要手动来完成了。

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  TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为1 C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 1C远程二极管传感器 1C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

  TMP468器件是一款使用双线 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75C)和测量分辨率(0.0 625C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55C至+ 150C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:0.75&...

  TMP107-Q1数字输出温度传感器支持以菊花链方式总计连接32台设备。每个传感器具有唯一的5位地址,存储于电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中.TMP107-Q1能够以0.015625C的分辨率读取温度,在-20C至+ 70C温度范围内的精度达0.4C。在具有高精度要求的应用中,TMP107-Q1是负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻的理想替代产品。 存储于EEPROM中的5位唯一地址在自动地址分配操作期间确定,并且基于每个传感器相对于SMAART线主机的位置。该器件有多种工作模式可供选择,最大程度提高了自身灵活性,不仅可针对电池操作降低功耗,还能够为实时控制应用提供高更新率。 TMP107-Q1是各类工业,仪器仪表,通信和环境应用中扩展温度测量的理想选择.TMP107-Q1采用8引脚小外形尺寸集成电路( SOIC)封装,额定工作温度范围为-55C至+ 125C。 特性 具有符合AEC-Q100标准的下列结果: 温度1级:-40C至+ 125C的环境工作温度范围 器件人体放电模式...

  这些带存储的单片四路双输入多路复用器提供两个独立MSI功能的等效功能(SN54157 /SN74157或SN54LS157 /SN74LS157和SN54175 /SN74175)或单个16引脚封装的SN54LS175 /SN74LS175)。 当字选输入为低电平时,字1(A1,B1,C1,D1)适用于触发器。字输入的高输入将导致选择字2(A2,B2,C2,D2)。所选字在时钟脉冲的下降沿输出到输出端。 对于LS298,298和65毫瓦的典型功耗为195毫瓦。 SN54298和SN54LS298的特点是在-55°C至125°C的整个军用温度范围内工作; SN74298和SN74LS298的特点是工作温度范围为0°C至70°C。 特性 选择两个4位数据源中的一个并与系统时钟同步存储数据 应用程序:算术处理器中操作数和常量的双源;可以释放处理器寄存器文件以获取新数据 实现能够并行交换内容但保留外部负载能力的单独寄存器 用于实现各种移位模式的通用类型寄存器;甚至具有复合左右能力 参数 与其它产品相比 解码器/编码器/多路复用器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Channels (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (M...

  这款带有存储器的单片四路双输入多路复用器提供了两个独立的MSI功能(SN54LS157 /SN74LS157和SN54LS175 /SN74LS175)的等效功能16引脚封装。 当字选输入为低电平时,字1(A1,B1,C1,D1)应用于触发器。字输入的高输入将导致选择字2(A2,B2,C2,D2)。所选字在时钟脉冲的正向边沿输出到输出端。 典型功耗为37毫瓦。 SN54LS399的特点是可在-55°C至125°C的整个军事范围内工作。 SN74LS399的特点是工作温度范围为0°C至70°C。 特性 LS399 上的单轨输出选择两个4位数据源中的一个并与系统同步存储数据时钟 应用程序: 算术处理器中操作数和常量的双源;可以释放处理器寄存器文件以获取新数据 实现能够并行交换内容但保留外部负载能力的单独寄存器 用于实现各种移位模式的通用类型寄存器:甚至还有复合左 - 权利能力 参数 与其它产品相比 编码器和解码器   Function Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Channels (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (Mhz) ICC @ Nom Voltage (Max) (mA) tpd @ Nom Voltage (M...

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