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1、工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系WWW.OUC.EDU.CNWWW.OUC.EDU.CNOCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA嵌入式技术概述嵌入式技术概述 NIOSII常用外设的硬件结构和软件编程刘兰军刘兰军1/14/2023工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optre
2、x 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）功能描述寄存器描述SOPC Builder例化软件编程1/14/20232工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/20233工程学院工程
3、学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPIO核 1）功能描述PIO核：Avalon存储器映射从端口与通用I/O端口直连的接口方案（1）PIO核的I/O端口可连接片内用户逻辑或FPGA芯片的引脚（2）PIO核可基于输入信号而发出中断请求（IRQ）用户逻辑：输入、输出、双向、中断引脚：输入、输出、三态、中断应用：开关输入、输出、与标准串行/并行设备通信1/14/20234工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF
4、 CHINAPIO核 1）功能描述1/14/20235工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPIO核 2）寄存器描述CPU通过读/写PIO核的映射寄存器来控制PIO端口读数据寄存器返回输入端口的数据，写数据寄存器驱动输出端口的数据；读数据寄存器与写数据寄存器是相互独立的，但地址相同方向寄存器只在PIO核配为双向模式时才存在，PIO的双向、输入、输出模式只在SOPC系统生成时指定。方向寄存器复位时所有位为0，即所有端口置为输入。中断掩码寄存器只在PIO核配为产生IRQ时才存在。中断掩码寄存
5、器复位时所有位为0，即所有中断被禁止。中断掩码寄存器可捕获上升沿、下降沿、双沿，边沿检测种类在SOPC系统生成时指定。PIO核的中断请求条件：电平触发：检测高电平边沿触发：根据边沿捕获寄存器的设置捕获上升沿、下降沿、双沿1/14/20236工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPIO核 3）SOPC Builder例化 1/14/20237工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPI
6、O核 4）软件编程（1）NIOSII IDE 提供了定义PIO核寄存器的HAL系统库头文件Altera_avalon_pio_regs.h定义了通用的PIO核的寄存器映射（2）多个PIO设备的个性信息在 system.h 中定义 1/14/20238工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPIO核 4）软件编程（1）Altera_avalon_pio_regs.h1/14/20239工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN
7、UNIVERSITY OF CHINAPIO核 4）软件编程（2）system.h 1/14/202310工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAPIO核 4）软件编程（3）对PIO设备的访问 1/14/202311工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD
8、控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202312工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 1）功能描述具有Avalon总线接口的TIMER核是32位定时器，可提供如下特性：1/14/202313工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 1）功能描述TIMER核的内核结构：
9、1/14/202314工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 2）寄存器描述NIOSII处理器HAL系统库提供了TIMER的API,应用程序开发一般不必直接访问寄存器，寄存器映射对驱动程序开发有用1/14/202315工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 2）寄存器描述 状态寄存器1/14/202316工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEA
10、N UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 2）寄存器描述控制寄存器1/14/202317工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 3）SOPC Builder例化1/14/202318工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 4）软件编程NIOSII IDE 为TIMER核提供了HAL系统库驱动程序
11、，用户可以使用 HAL API 访问TIMER核，而不是直接访问寄存器。（1）系统时钟驱动程序：驱动程序是中断驱动的，定时器需连接有中断信号（2）时间戳驱动程序：定时器具有可写的时钟周期寄存器，定时器未被设置 成系统时钟系统自动生成的相关软件文件：（1）altera_avalon_timer_regs.h:定义了寄存器映射（2）altera_avalon_timer.h altera_avalon_timer_sc.c altera_avalon_timer_ts.c altera_avalon_timer_vars.c:定义了驱 动程序（3）system.h:定义了具体的定时器设备的参数信息
12、 1/14/202319工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINATIMER核 4）软件编程system.h1/14/202320工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核
13、）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202321工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 1）功能描述具有Avalon总线接口的UART核实现了RS-232通信协议，提供：可调的波特率；奇偶校验位；停止位；数据位；可选的RTS/CTS流控制信号1/14/202322工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 1）功能描述具有Avalon总线接口的UART核的功能框
14、图1/14/202323工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述NIOSII处理器HAL系统库提供了UART的API,应用程序开发一般不必直接访问寄存器，寄存器映射对驱动程序开发有用不管前一字符是否从rxdata中读出，新字符总是传输到rxdata中，若发生了未来得及读出现象，产生溢出错误只有txdata准备好，才允许写入新字符1/14/202324工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIV
15、ERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述NIOSII处理器HAL系统库提供了UART的API,应用程序开发一般不必直接访问寄存器，寄存器映射对驱动程序开发有用1/14/202325工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述状态寄存器1/14/202326工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述状态寄存器1/14/2023
16、27工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述状态寄存器1/14/202328工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述NIOSII处理器HAL系统库提供了UART的API,应用程序开发一般不必直接访问寄存器，寄存器映射对驱动程序开发有用1/14/202329工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY
17、OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述控制寄存器1/14/202330工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述控制寄存器1/14/202331工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述NIOSII处理器HAL系统库提供了UART的API,应用程序开发一般不必直接访问寄存器，寄存器映射
18、对驱动程序开发有用Baud Rate=Freg/(Divisor+1)Divisor寄存器是一个可选的硬件特性决定可变长度DMA传输的包结束符，是一个可选的硬件特性1/14/202332工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 2）寄存器描述UART内核的中断行为UART核提供一个中断信号，该中断信号有多个中断源，通过读取状态寄存器得到中断源信息1/14/202333工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNI
19、VERSITY OF CHINAUART核 3）SOPC Builder例化 1/14/202334工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 4）软件编程NIOSII IDE 为UART核提供了HAL系统库驱动程序，用户可以使用 HAL API 访问UART核，而不是直接访问寄存器。（1）若UART核配置成标准设备，可采用ANSI C标准库函数访问（2）若UART核未被配置成标准设备，作为字符型设备，可采用访问子文 件系统的方式访问（3）可以采用ioctl（）函数控制UART硬件
20、相关的操作 1/14/202335工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 4）软件编程NIOSII IDE 为UART核提供了HAL系统库驱动程序，用户可以使用 HAL API 访问UART核，而不是直接访问寄存器。驱动程序选项：（1）快速版本驱动程序：采用中断驱动的方法（2）小型版本驱动程序：采用查询驱动的方法 1/14/202336工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHIN
21、AUART核 4）软件编程NIOSII IDE 为UART核提供了HAL系统库驱动程序，用户可以使用 HAL API 访问UART核，而不是直接访问寄存器。ioctl（）操作：1/14/202337工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAUART核 4）软件编程NIOSII IDE 为UART核提供了HAL系统库驱动程序，用户可以使用 HAL API 访问UART核，而不是直接访问寄存器。软件文件：altera_avalon_uart_regs.h:UART 核的寄存器映射altera_a
22、valon_uart.haltera_avalon_uart.c：UART核的驱动程序system.h:UART设备的参数宏定义 1/14/202338工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202339工程学院工程学院 自动化及测控
23、系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAOptrex 16207 LCD控制器核 1）功能描述具有Avalon总线接口的Optrex 16207 LCD控制器核：提供了NIOSII处理器与16x2字符型LCD屏的接口方案HAL系统库给出了Optrex 16207 LCD控制器核的设备驱动程序（1）使用ANSI C标准库函数访问，如 printf（）（2）作为字符型设备，同访问文件子系统一样访问1/14/202340工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN
24、 UNIVERSITY OF CHINAOptrex 16207 LCD控制器核 1）功能描述Avalon从端口，对LCD控制器寄存器的访问(通过HAL系统库函数访问，不需要寄存器定义细节)LCD屏接口1/14/202341工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINAOptrex 16207 LCD控制器核 2）SOPC Builder例化1/14/202342工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF
25、 CHINAOptrex 16207 LCD控制器核 3）软件编程（1）HAL系统库支持字符型LCD核是标准字符型设备，可以使用HAL提供的驱动程序API和ANSI C标准库函数访问，使用 printf（）是最简单的显示字符方法；注：LCD 驱动程序要求HAL系统库包含系统时钟驱动程序（2）软件文件altera_avalon_lcd_16207_regs.h:定义了LCD核的寄存器映射altera_avalon_lcd_16207.h/altera_avalon_lcd_16207.c：定义了LCD核的设备驱动程序1/14/202343工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN
26、UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202344工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINACFI控制器核 1）功能描述具有Avalon总线接口的CFI控制器核：使用户很方便地将NIOS
27、II处理器系统与片外的遵循CFI规范的flash存储器连接。ALTERA为CFI控制器提供HAL设备驱动程序：提供通用的访问遵循CFI规范的flash存储器函数（用户不需要写任何的额外代码）；允许用户采用HAL API或 ANSI C 标准库I/O函数 访问flash。NIOSII IDE 提供基于NIOSII处理器和CFI控制器的FLASH PROGRAMMER工具，用于编程任何遵循CFI规范的flash存储器。1/14/202345工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINACFI控制器核
28、 1）功能描述三态桥：生成一个片外存储器总线，为每个连接到存储器总线的芯片提供独立的片选、读、写信号CFI控制器：配置适合FALSH芯片的等待周期、建立时间、保持时间，支持三态传输1/14/202346工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINACFI控制器核 1）功能描述1/14/202347工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINACFI控制器核 2）SOPC Builder例化1/14
29、/202348工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINACFI控制器核 3）软件编程（1）HAL系统库支持ALTERA 提供 HAL系统库驱动程序，用户可以使用HAL API函数访问FLASH存储器。注：目前的CFI控制器只支持AMD和INTEL的flash芯片（2）软件文件altera_avalon_cfi_flash.h/altera_avalon_cfi_flash.c:定义了将驱动程序集成到HAL系统库中所需的函数、变量的头文件和源代码altera_avalon_cfi_flash_
30、funcs.h/altera_avalon_cfi_flash_table.c：定义了访问CFI表相关的函数的头文件和源代码altera_avalon_cfi_flash_amd_funcs.h/altera_avalon_cfi_flash_amd.c：定义了对AMD Flash 芯片编程的头文件和源代码altera_avalon_cfi_flash_intel_funcs.h/altera_avalon_cfi_flash_intel.c：定义了对INTEL Flash 芯片编程的头文件和源代码1/14/202349工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSI
31、TY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINANIOSII常用外设的硬件结构和软件编程 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202350工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 1）功能描述具有Avalon总线接口的DMA控制器核：执行大块的数据传输，从一个源地址范围读数据，写
32、数据到不同的地址范围；DMA控制器能够执行具有流控制的Avalon传输，以保证其自动地按照外设允许的最大速率传输数据。DMA控制器具有两个Avalon主端口（一个读主端口、一个写主端口）和一个Avalon从端口，从端口用于控制DMA控制器。1/14/202351工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 1）功能描述典型的DMA处理流程：（1）CPU通过写控制端口使DMA控制器做好数据处理准备；（2）CPU使能DMA控制器：DMA控制器传输数据，读主端口从源地址读数 据，写主端口写数
33、据到目的地址，读主端口和写主端口之间的FIFO 缓存数据；（3）传输了设定长度的数据（固定长度的DMA传输）或END-OF-PACKET信 号有效（可变长度DMA传输）时，DMA传输结束，DMA控制器产生中 断请求（若允许）；（4）DMA传输期间或之后，CPU可通过读取其状态寄存器判断DMA数据传 输的情况。1/14/202352工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 1）功能描述DMA控制器可配置的选项：（1）读（源）地址；（2）写（目的）地址；（3）传输的数据宽度：8，16，
34、32，64，128；（4）DMA传输完成使能中断；（5）使能源或目的外设使用END-OF-PACKET信号结束DMA传输；（6）指定源或目的是外设还是存储器1/14/202353工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 1）功能描述 DMA控制器使用字节地址编程：（1）读主端口和写主端口的地址与传输宽度对齐：如传输数据宽度32 位，地址每次增加4；（2）对于具有不同数据宽度从设备的系统，读和写主端口匹配的数据宽 度为从设备中最宽的数据宽度；（3）对于突发传输，突发传输长度设置成DM
35、A传输长度，突发计数端口 则要重新换算：如32位数据宽度的DMA传输要传输64字节数据，突 发传输长度设置为64，突发计数端口为16。1/14/202354工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 1）功能描述 DMA控制器的地址增加规则：（1）访问存储器时，读写地址根据数据宽度，按照1、2、4、8、16增 加；（2）访问外设时，读写地址保持不变；（3）地址的增加或不变由控制寄存器的RCON/WCON位控制（0 增加；1 不变）。1/14/202355工程学院工程学院 自动化及测控
36、系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 2）SOPC Builder例化DMA控制器核不输出任何信号给系统顶层模块1/14/202356工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 2）SOPC Builder例化 1/14/202357工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 3）软件编
37、程ALTERA提供HAL系统库驱动程序，用户可以使用HAL API访问DMA控制器核。HAL DMA驱动程序提供DMA过程的两端操作，分别注册为接收通道alt_dma_rxchan和发送通道alt_dma_txchan发送和接收通道的ioctl（）允许用户控制DMA控制器的硬件，定义了两个函数：alt_dma_rxchan_ioctl（）和alt_dma_txchan_ioctl（）1/14/202358工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 3）软件编程1/14/202359工
38、程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINADMA核 3）软件编程相关软件文件altera_avalon_dma_regs.h:定义了DMA核的寄存器映射altera_avalon_dma.h/altera_avalon_dma.c：定义了DMA核的设备驱动 程序1/14/202360工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA本章总结 并行输入/输出内核（PIO核）定时器核（TIMER核）异步串口核（UART核）字符型LCD控制器核（Optrex 16207 LCD控制器核）通用FLASH接口控制器核（CFI核）直接存储器访问核（DMA核）1/14/202361