概述
说明
实验说明：
本实验的硬件平台基于DE10-Standard板卡，通过HPS控制FPGA的PIO外设，PIO连接有LED灯，实验现象为四个led依次循环点亮。
术语说明：
HPS：Hard Processor System硬核处理器系统
SOC：System On Chip 片上系统
Shell：本实验中指嵌入式命令行shell，即Embedded_Command_Shell.bat
软件说明：
本实验用到的软件有Quartus 15.1和SOC EDS 15.1。下文提到的bsp-editor工具和Shell包含在SOC EDS中。Qsys工具包含在Quartus中。进行本实验前请先正确安装这两个软件。
第一步：使用Quartus和Qsys工具完成硬件系统的配置。
该步骤实现SOC最小系统的硬件配置，包括硬核处理器配置、HPS和FPGA之间通信接口总线的选择、HPS外设裁剪、HPS时钟配置和SDRAM配置。该实验中主要用到HPS硬核，以及PIO外设IP核。Qsys工具为用户提供硬件系统的可视化设计，能够自动生成handoff文件，该文件配合bsp-editor工具可以生成preloader。Preloader是HPS的第二阶段引导源，主要作用为：初始化SDRAM接口，配置HPS IO口，加载下一引导源并跳转到它。
实验步骤
1 新建Quartus工程。
1.1 设置工程存放路径，工程名以及顶层文件名，如图1所示。
图 1
1.2 选择FPGA器件型号，如图2所示，DE10-Standard板载FPGA型号为5CSXFC6D6F31C6。
图 2
1.3 点击next直到finish，未提及的页面均按默认设置即可。
2 在Qsys中配置SOC。
2.1 运行Qsys工具。
在Quartus软件中，通过菜单栏Tools->Qsys打开Qsys工具。刚打开的Qsys工具页面如图3所示。
图 3
2.2 添加HPS并完成配置。
在左侧的IP目录中输入hps，选中Arria V/Cyclone V Hard Processor System，双击添加HPS，在弹出的HPS配置页面中进行HPS配置。HPS配置页面如图4所示。
图 4
1） 在FPGA Interfaces页面中，General一栏均不勾选，AXI Bridges一栏设为64-bit、64-bit、32-bit，FPGA-to-HPS SDRAM Interface一栏中移除原有接口，Resets一栏中均不勾选。
2）在Peripheral Pins页面中，设置HPS外设引脚复用及模式选择。设置如表1所示。设置完成后页面如图5所示。（本实验其实未用到这些外设）
表1 外设引脚复用及模式选择
外设名称 | 引脚复用选择 | 模式选择 |
EMAC1 | HPS I/O Set 0 | RGMII |
QSPI | HPS I/0 Set 0 | 1SS |
SDIO | HPS I/0 Set 0 | 4-bit Data |
USB1 | HPS I/0 Set 0 | SDR |
UART0 | HPS I/0 Set 0 | No Flow Control |
（注：表中未提及的外设即Unused，无需设置）
图 5 Peripheral Pins 页面设置
-
在HPS Clocks页面中，确认下Input Clocks->External Clock Sources 中的时钟频率为25MHz，其它无需设置，默认即可。
-
在SDRAM页面中，参考图6-11更改该页面下所有子页面中的参数。（本实验未用到SDRAM，所以不设置也可）
图 6
图 7
图 8
图 9
图 10
图 11
5） 至此，HPS设置完毕，点击finish离开HPS设置页面。
2.3 添加并设置其它Qsys元件
本实验通过HPS控制FPGA部分的IO口，以此来控制连接在FPGA IO引脚LED灯的亮灭。所以整个SOC只需包含HPS和PIO，即Qsys中还需要添加PIO外设。
添加PIO外设。在IP目录中输入PIO，选中PIO双击添加外设，设置页面如图12所示，本实验通过PIO控制4个LED，故宽度为4。
图 12
2.4 配置Qsys系统元件
-
修改元件名称。本实验把pio_0重命名为led_pio。
-
导出外设的顶层I/O接口。在Export一栏下相应位置双击，导出led_pio的顶层I/O接口，命名为fpga_led_pio，导出hps_0的h2f_reset接口，命名为hps_0_h2f_reset，如图13所示。
图 13
-
连接Qsys外设接口。外设的接口信号之间没有连接，需要根据系统要求手动进行连接。各个外设之间的信号连接c如表2所示。连接好后如图14所示。
表2 元件信号连接关系
需要连接的
被连接的
元件
信号名
元件
信号名
led_pio
clk
clk_0
clk
reset
clk_0
clk_reset
s1
hps_0
h2f_lw_axi_master
hps_0
h2f_lw_axi_clock
clk_0
clk
h2f_lw_axi_master
led_pio
s1
图 14
4）配置Qsys的地址映射。Qsys中添加的元件及外设都需要分配对应的基地址。这里我们采用自动分配的方式，在Qsys菜单中选择System->Assign Base Address，完成基地址自动分配。
5）生成Qsys系统。Save保存Qsys文件，命名为soc_led.qsys。然后点击菜单Generate->Generate HDL，弹出如图15设置框，按图设置好后点击Generate，Qsys将生成与硬件系统相关的一系列文件。
图 15
3 完成Quartus工程编译
3.1 在Quartus工程中添加Qsys产生的系统模块。
1）Quartus中点击菜单Assignments->Settings，弹出设置框，选中左侧Files一栏，添加Qsys文件soc_led.v和soc_led.qip，添加完成后如图16所示。
图 16
2）新建顶层文件。本实验采用的顶层文件类型为bdf（Block Diagram/Schematic File）。点击菜单File->New，选择Design Files中的Block Diagram/Schematic File后点击OK，点击菜单File->Save As将该文件保存到工程目录下，命名为top.bdf。在该原理图空白处右键Insert->Symbol，选择Qsys生成的soc_led.bsf，将该模块插入到顶层原理图文件中。选中插入的元件，右键点击Generate Pins for Symbol Ports，为元件添加输入输出端口，如图17所示。
图 17
3.2 工程分析综合后分配引脚
完成以上步骤后，需要分配引脚，包括HPS外设默认引脚分配以及FPGA部分引脚分配，在分配引脚之前，工程必须通过分析综合，否则引脚分配会出错。
-
菜单点击Processing->Start->Start Analysis & Synthesis开始分析综合。
-
分析综合完成后，点击菜单Tools->Tcl Scripts，弹出脚本运行框，如图18所示。分别运行hps_sdram_p0_parameters.tcl和hps_sdram_p0_pin_assignments.tcl。
图 18
-
编写fpga部分的外设引脚分配脚本。根据硬件板卡的实际连接关系，编写引脚分配脚本，本实验用到DE10-Standard板卡上的4个LED，参考原理图，编写脚本如下：
set_location_assignment PIN_AA24 -to fpga_led_pio_export[0]
set_location_assignment PIN_AB23 -to fpga_led_pio_export[1]
set_location_assignment PIN_AC23 -to fpga_led_pio_export[2]
set_location_assignment PIN_AD24 -to fpga_led_pio_export[3]
set_location_assignment PIN_AF14 -to clk_clk
然后按2）所示Tcl Scripts工具执行上面编写的脚本，完成FPGA部分LED引脚的分配。
3.3 工程编译。
完成以上所有操作后，可以点击菜单Processing->Start Compilation对工程进行完全编译。编译成功后会生成FPGA编程所需的.sof文件。
4 完成FPGA编程。
这里只介绍采用JTAG方式完成FPGA编程方式，注意这种方式下，FPGA编程电路断电后就丢失。
点击菜单Tools->programmer，打开编程工具，选择连接至计算机的DE10开发板，如图19所示。Close硬件设置框。编程页面中Mode选择JTAG，点击Auto Detect按钮，在弹出的器件选择框中选择相应的器件型号，DE10-Standard板载FPGA型号应选择5CSXFC6D6。选中FPGA设备，点击Change FIle，选中编译生成的top.sof文件，如图20所示。然后勾选Program/Configure，如图21所示。最后点击Start按钮开始编程。
图 19
图 20
图 21
实验细节注意：
在分配引脚之前必须先对工程进行分析综合（Analysis and Synthesis）
第二步：使用SOCEDS完成HPS软件开发
说明：
该步骤完成HPS软件部分的开发，SOC EDS提供了全套的软件开发工具。本实验只是通过HPS控制FPGA部分的IO口，系统架构简单，采用裸机开发方法。DS-5为SoC FPGA裸机开发提供了两套编译工具：ARM Compiler 和 Altera Baremetal GCC。本实验采用ARM Compiler。
实验步骤
1 运行软件开发工具DS-5。
打开Embedded_Command_Shell.bat，输入eclipse &命令回车，打开DS-5开发软件。如图1所示。 DS-5界面如图2所示。
图1
图2
2 新建C Project
点击菜单File->New->C Project，弹出工程配置框如图3所示，按图完成设置，注意编译工具链选择ARM Compiler 5
图3
3 工程编译选项设置
3.1 添加HWLIB路径
因为本实验用到了SOC EDS提供的HWLIB中的API访问硬件，所以要在项目编译选项中添加HWLIB路径。HWLIB所在路径为：<SOC EDS安装路径>ipalterahpsaltera_hpshwlibinclude 和 <SOC EDS安装路径>ipalterahpsaltera_hpshwlibincludesoc_cv_av
操作：在DS-5左侧的Project Explorer中选中LedWater工程，右键点击Properties。弹出的对话框按图4设置，完成HWLIB路径的添加。
图4
3.2为工程编写分散文件scatter。
scatter文件为连接器指定映像的内存映射。本实验中，映像文件的加载区和执行区都在HPS的片内RAM上，而HPS片内RAM的地址映射为0xFFFF0000-0xFFFFFFFF，所以编写分散文件内容如下，分散文件编写完成后添加到编译选项中。
OCRAM 0xFFFF0000 0x1000
{
APP_CODE +0
{
*(+RO, +RW, +ZI)
}
ARM_LIB_STACKHEAP 0xFFFF8000 EMPTY 0x8000
{}
}
操作：点击菜单File->New->Other，弹出对话框，按图5操作。打开新建的scat文件，输入上面的分散文件内容。在DS-5左侧的Project Explorer中选中LedWater工程，右键点击Properties。弹出的对话框按图6设置，完成scat文件路径的添加。
图5
图6
4 生成硬件设备描述头文件。
利用SOC EDS提供的swinfo2header工具，将Qsys硬件系统信息转换为软件开发所需的设备描述头文件。
操作：在嵌入式命令行shell中cd到soc_led.sopcinfo所在目录，然后输入如下命令：sopc-create-header-files soc_led.sopcinfo --single hps_0.h --module hps_0 如图7所示，同目录下将会生成名为hps_0.h的头文件，将其拷贝至软件工程目录下。
图7
5 编写main.c
为工程新建main.c文件，输入main.c代码，代码如下：
#include "hwlib.h"
#include "socalsocal.h"
#include "socalhps.h"
#include "hps_0.h"
void delay(int delay_time)
{
int k;
for(k=0; k<delay_time; k++) ;
}
int main()
{
int i = 0x1;
while(1)
{
alt_write_word( ALT_LWFPGASLVS_OFST+LED_PIO_BASE, i );
if( (i&0xf) == 0x8 ) i=0x1;
else
i = i<<1;
delay(100000000);
}
return 1;
}
6 工程编译连接
在DS-5左侧的Project Explorer中选中LedWater工程，右键点击Build Project，生成可执行文件ledWater.axf。
7 生成preloader
裸机工程中，preloader即u-boot-spl。在shell中输入bsp-editor启动工具，如图8所示。在打开的bsp-editor工具中，点击菜单File->New HPS BSP，选择handoff文件目录，如图9所示。设置中取消勾选WATCHDOG_ENABLE选项，如图10所示，因为我们没有在裸机应用程序中用到看门狗。设置完成后点击generate，产生我们设置的preloader源代码，生成的源代码路径显示在Information栏中。Shell中cd到preloadre源代码目录下，输入make -j8 （多线程编译提高编译效率），如图11所示，回车生成preloader二进制文件，需要等待几分钟。在<Quartuas工程目录>softwarespl_bspuboot-socfpgaspl目录下，可以看到已经生成了u-boot-spl二进制文件。将其拷贝至LedWater工程目录下。
图8
图9
图10
图11
8 编写调试脚本
为LedWater工程新建调试脚本，步骤如图12所示。打开新建的文件输入以下内容。
reset system
stop
wait 30s
set semihosting enabled false
loadfile "$sdir/u-boot-spl" 0x0
set semihosting enabled true
delete
tbreak spl_boot_device
run
wait
loadfile "$sdir/Debug/ledWater.axf"
Start
图12
完成以上所有操作后，工程目录应该如图13所示。
图13
9 工程调试。
1) 在进行工程调试前，首先要确保板卡连接至计算机，并先下载硬件sof文件至fpga。然后新建调试配置项，选中LedWater工程，右键选择Debug As->Debug Configurationz，弹出会话框，按图14和图15设置。设置完成后点击Debug开始调试。
图14
图15
2)进入调试页面后，如图16所示，点击红圈中Continue图标，开始运行main程序，DE10开发板上的4个LED灯依次循环点亮。
图16
-
最后
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