Altera FPGA NIOS-II之Hello World
1、什麼是NIOS II？
NIOS II就是一款CPU，和51、ARM、MIPS、X86的概念是一樣的。但是與其他處理器架構相比NIOS II最大的特點是執行在（Intel Altera）FPGA上的軟核處理器，說白了就是使用Verilog HDL或者VHDL語言在FPGA內部實現了一個處理器，這是一個龐大的系統，相當於在ARM處理器上編寫一個作業系統，所以不是所有人都可以建立一個自己的CPU系統，而且就算自己編寫了一個CPU系統，也沒有配套的編譯器和開發環境的支援，只能使用二進位制指令進行程式設計，這是何等的痛苦。當然了Altera公司早就考慮到這點了，NIOS軟核應運而生，NIOS II是在NIOS的進化版本，現在好像都是使用NIOS II系統了。同時Altera公司為NIOS II軟核提供了完整的工具鏈包括軟核的定製、豐富的外設IP庫、NIOS II軟體開發環境、編譯器等。
FPGA系統上使用NIOS II處理器之後相當於傳統的FPGA+MCU協作，各自發揮各自的優勢，FPGA能夠實現高效的資料處理，MCU能夠處理繁雜的任務。
2、定製NIOS II系統
2.1 前期準備
手頭有現成的一塊Cyclone II開發板，拿這個板子進行試驗。開啟Quartus II軟體，建立一個工程，頂層模組名叫做HelloWorld，選擇好了器件之後可以開始定製NIOS II系統了，這裡說的NIOS II系統指的不僅僅是一個NIOS II CPU軟核，它包含了CPU、時鐘、儲存、匯流排、外設等部分。在Quartus軟體的工具欄上開啟Qsys工具，如下圖：
進入到Qsys介面：
這就是NIOS II系統的定製軟體，在右側的System Contents欄中可以看到已經預設存在一個clk_0模組了，可能就是為了告訴我時鐘是必不可少的。左側是Altera提供的豐富的IP核，種類非常的多，可以構建一個資源豐富的微控制器系統。
HelloWorld工程需要時鐘、CPU、ROM、RAM、JTAG_UART、SYSID、PIO（後面會有為什麼需要這個PIO外設）這些模組。我們可以挨個在左側的Library中搜索，然後雙擊之後進行新增和配置。
2.2 新增配置模組
2.2.1 配置系統時鐘
雙擊clk_0模組進行配置：
開發板上的晶振是50MHz的，不使用PLL的情況下輸入給系統的時鐘就是外部晶振的時鐘頻率。
2.2.2 定製NIOS II
新增一個NIOS II系統，
NIOS II一共三款型別，我選擇了NIOS II/e，這是最小體積但是效能最差的一款處理器，因為我的開發板是Cyclone II的EC2C5T144C8，內部資源比較有限，如果選擇NIOS II/f的話會導致內部資源不夠用。下面還有Reset Vector和Exception Vector沒有配置，因為現在還配置不了，這些向量是跟程式執行地址相關的，但是還沒有新增系統儲存器。
2.2.3 新增ROM儲存器
搜尋on chip memery，然後新增配置：
儲存器型別選擇ROM，Data Width選擇32，Total memery size選擇2048，不能太大，器件空間有限。
2.2.4 新增RAM儲存器
步驟和上面的ROM定製一樣，儲存器型別選擇RAM，Data Width選擇32，Total memery size選擇6144，這個值是恰好的值，小了導致NIOS II應用程式無法執行，大了導致RAM使用率超出FPGA內部總RAM，會在編譯的Place&Route過程中出錯。
2.2.5 新增JTAG_UART偵錯程式
這個模組主要是為了下載程式、單步除錯和資料列印使用的，使用預設配置就行了。
2.2.6 新增System ID peripheral
新增這個的目的我也沒仔細研究，好像是Eclipse在連線CPU的時候會進行ID檢測。直接新增即可，32 bit System ID就寫0x00000000即可。
2.2.7 新增PIO
PIO就是Parallel I/O，相當於51微控制器的P0、STM32的GPIOA。PIO模組的具體配置如下圖：
2.3 線路連線
新增完所有模組之後還需要進行線路連線，這裡有一些準則：
1、clk時鐘需要連線到所有模組，因為所有模組都是時序器件，都需要時鐘驅動。
2、clk_reset也連線到所有模組，因為如果時鐘模組被複位了，其他連線了clk時鐘的器件都要復位。注意clk模組的clk_in_reset是外部輸入的復位訊號，clk_reset訊號是clk模組輸入給其他器件的復位輸出訊號。
3、jtag_uart模組的復位輸出連線到所有模組，因為除錯模組有權利進行系統復位。
4、NIOS II軟核的data_master資料匯流排連線到所有器件，因為所有器件只有被分配到CPU的匯流排中去之後才能被CPU所呼叫（器件需要能夠被定址，並能夠讀取或者寫入資料）。
5、NIOS II軟核的instruction_master指令匯流排連線到儲存器中去，包括onchip_rom和onchip_ram，也可以是SDRAM控制器等。
根據上面的準則進行連線，最後的連線圖如下：
連線完成之後需要設定NIOS II IP核的Reset Vector和Exception Vector，雙擊nios2_qsys進行配置：
表示復位之後程式從0x00005000地址處的ROM中開始執行。產生中斷/異常之後從0x00002020地址處的RAM中執行，這就是中斷向量表。
下面開始基地址分配。我們知道NIOS II是32位的核心，定址空間是4GB，我們定義了那麼多器件，還有儲存器，儲存器的空間各不相同，每個器件掛載在什麼地址上面呢？我們可以自己計算然後配置地址，但是Qsys提供了分配工具，點選選單欄中的【System】→【Assign Base Addresses】，Qsys工具會自動為各個IP核分配基地址。基地址分配完成後，可以看到0Error和0 Warning的提示，如圖所示：.
到這裡已經配置好一個NIOS II系統了，最後一步就是生成NIOS II系統了。點選右側選單欄中的【Generate】欄，進入生成Qsys系統的設定介面：
完成之後如果沒有錯誤就會生成一個icpu.qip模組，在icpu的synthesis資料夾中，這個模組就是我們定製的IP核，在頂層模組中可以新增這個模組。記得要儲存這個Qsys系統，下次要修改icpu的時候直接開啟修改然後generate即可。
2.4 設定頂層模組
在Qsys介面裡面有一個HDL example：
直接複製這個程式到頂層模組中呼叫即可：
這裡我加了一個LED閃爍模組，用來檢視系統是不是在執行。然後Pin planner、Programmer......這裡不再贅述，常規操作。燒寫到FPGA開發板上之後led按照2.5Hz的頻率進行閃爍，說明系統已經在執行。
3、軟體設計
現在已經有一個屬於我們自己的CPU系統在FPGA中待著了，可不能要它就這麼幹耗著，要做點什麼不是麼？和STM32使用KEIL MDK整合開發環境一樣，NIOS II也是使用整合開發環境進行開發的，但是遺憾的是這個開發環境是基於Eclips的，著實是不怎麼好用，希望Altera好好優化一下。開啟Quartus軟體在選單欄的Tools欄下選擇Nios II Software Build Tools for Eclips，開啟之後選擇一個工作空間，然後File--New--Nios II Application and BSP from Template，使用模板為例建立一個工程：
上面Target hardware information中的SOPC Information File name選擇剛才建立NIOS II系統是generate出來的檔案，這個檔案就是你建立的系統的配置檔案。下面的Templates選擇Hello World Small，這個程式的佔用空間比Hello World工程要小很多。建立完成之後會生成兩個專案：
HelloWorld_bsp是開發環境根據SOPC Information File生成的，就是根據我設計的CPU生成的獨有的bsp庫，開發應用程式的時候可以直接使用。
開啟工程HelloWorld的hello_world_small.c檔案主函式中只有一個列印字串的功能。右擊兩個工程選擇Build Project進行編譯，如果沒有問題就可以將程式下載到系統是實驗，右擊工程--Run as--Nios II Hardware，首次下載會彈出下面的Run Configuration視窗進行配置。
配置完之後就可以直接在Eclips的工具欄上直接進行運行了：
左邊的是Debug，右邊的是Run，電機向下箭頭選擇Debug/Run型別。
遺憾的是下載進去之後沒有反應：
Nios II Console視窗中沒有任何資料。試了很多次都沒有成功。但是偶然我實驗了一次Debug：
點選紅框中的Resume之後開始執行程式，發現有資料打印出來了，然後將程式修改成迴圈列印資料，再進行除錯：
的確有資料迴圈列印，但是停止Debug之後又沒有資料列印了，難道停止Debug之後CPU停止運行了麼？還是說jtag_uart傳輸有問題呢？這時候我就想使用PIO來控制LED燈來檢視程式是否在執行，程式如下：
#include "sys/alt_stdio.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
int main()
{
while(1)
{
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(0x6000,0xFFFF);
alt_putstr("Hello world!\n");
usleep(100000);
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(0x6000,0x0000);
alt_putstr("Hello world!\n");
usleep(100000);
}
/* Event loop never exits. */
while (1);
return 0;
}
進入Debug模式之後程式可以執行，LED燈閃爍，有資料列印，但是資料列印很頓挫，按道理列印頻率是10Hz，不應該頓挫，然後停止Debug，發現LED不閃爍，資料不列印，按下復位按鍵之後發現LED閃爍了3次，然後就停了，說明程式其實還是運行了，但是到後來卡住了似的。我猜測是卡在了jtag_uart列印的地方，所以把alt_putstr函式都註釋了，再次實驗發現退出Debug並復位之後LED可以正常閃爍，並且直接下載程式之後LED也能閃爍。那很有可能就是jtag_uart打印出現了問題，jtag_uart模組的列印是使用jtag的幾根線傳輸列印資料的，和真正的UART是不一樣的。倒是也可以解決這個問題，直接在我的NIOS II系統中新增一個UART IP核即可。但是這個問題還是要解決的，有明白人希望可以解答我的疑惑。
本文章參考正點原子的新起點FPGA開發指南和新起點Nios II開發指南，非常感謝原子提供的非常豐富的學習資料！