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嵌入式系统实验指导书
2020 年春
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
1
开拓者 Nios II 开发指南
Qsys简介
Qsys是Altera公司(现被Intel收购)提供的一个系统集成工具,该工具可用于搭建复杂
的嵌入式系统,搭建完成的系统将作为后续软件开发的硬件基础。用户可以通过Qsys来调用
官方所提供的IP核,从而加速系统设计;也可以利用Qsys制作自己的IP核,定制符合需求的
硬件系统。
本章包括以下几个部分:
1.1 使用Qsys的意义
1.2 Qsys是什么
1.3 Nios II是什么
1.4 软件与工具介绍
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
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开拓者 Nios II 开发指南
使用Qsys的意义
现实生活中各个领域所需要的系统都是十分庞大且完整的,通常包含主控制器、存储
器、数字信号处理模块、以及与外部通信的各种接口协议模块等。在基于FPGA的系统开发过
程中,如果采用纯硬件描述语言(Verilog/VHDL)去实现这些比较复杂的系统,工作量是十
分巨大的。
为了解决这些问题,Qsys应运而生。Altera公司将主控制器、数字信号处理模块、存储
器及其控制模块、各种接口协议等模块,通过硬件描述语言实现并封装成IP 核。用户可以在
Qsys中直接调用这些IP核,从而简化系统设计,如图 1.1.1所示。
MCUDSP SDRAM
FLASHFPGAI/O
SDRAM
FLASH
Qsys
FPGA
图 1.1.1 Qsys简化系统示意图
这里,Qsys用到了可重构SoC(System on Chip,片上系统)的设计技术,即可以增减构
成系统的IP核或修改已有IP核的参数。使用这种基于可重构SoC的设计技术不仅有助于简化设
计,降低硬件电路尺寸,缩短产品研发周期,节约系统开发成本,还可以针对不同项目需要
设计出不同的SOPC。SOPC的英文全称是System On a Programmable Chip,也就是可编程片上
系统,它采用可编程逻辑技术(这里指的就是FPGA)把整个系统集成到一个硅芯片上。在
Qsys的帮助下,我们可能只需要点击几下鼠标,写几十行代码就可以实现一个SOPC系统,大
大简化了系统设计流程。
Qsys是什么
Qsys的前身是“SOPC Builder”,在最新的Quartus版本中,Qsys再次被升级为
“Platform Designer”。因此在我们看到“Platform Designer”时,要知道它实际上就是
我们所常用的Qsys。
Qsys是Quartus II中的一个系统集成工具,它是用来搭建、开发以及维护“系统”的平
台,这个系统通常是指以Nios II处理器为核心的嵌入式系统,当然它也可以不包含Nios II
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开拓者 Nios II 开发指南
处理器。我们知道,嵌入式开发需要同时具备硬件环境和软件程序,Qsys就是用来创建硬件
环境的。它不同于ARM、单片机等处理器的固定硬件环境,而是可以根据自己的需求来搭建硬
件环境,这也这是它的独到和创新之处。一个基本的Qsys系统框图如下所示:
图 1.2.1 Qsys系统框架图
利用Qsys所搭建的一个基本的嵌入式系统包含系统时钟、Nios II处理器、JTAG接口、
ROM和RAM等。其中,Nios II处理器是Qsys系统中最为核心的一个IP核,它是系统的调控中
心,负责中断分配、地址管理、内存调度等控制任务。而GPIO(通用输入输出接口)、SDRAM
Controller等外设控制器负责与外部设备连接,控制外设的行为。Nios II和各个外设控制器
之间通过Avalon总线通信。
Nios II是什么
Nios II是应用于Intel FPGA的嵌入式软核处理器,它是Qsys嵌入式系统的核心部件,具
有较强的性能和可定制特性。我们可以在一片FPGA内部构建多个Nios II处理器,它们可以作
为主CPU,也可以是协处理器,在同一芯片内部协调有序地完成整个复杂系统的各项功能。
Nios II处理器内核是32位RISC架构(精简指令集架构)处理器,它包含了大多数现代32
位处理器中常见的基本架构元素,包括:
⚫ 32位指令大小
⚫ 32位数据线与地址线
⚫ 32个通用寄存器
⚫ 32个外部中断源
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Maxwell'sKitten
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