《NiosII体系结构》课件

体系结构NiosIINiosII是Altera公司推出的嵌入式处理器IP核，广泛用于FPGA和SoC设计中它为各种应用提供了可定制的解决方案，从简单的控制系统到更复杂的图像处理和通信任务简介NiosII可定制的嵌入式处理器高性能的CPUNiosII是一款可定制的嵌入式处理器，它提供了高性能的CPU内核，并支持由Altera公司开发多种指令集扩展丰富的片上外设灵活的开发环境NiosII拥有丰富的片上外设，例如定时NiosII提供了灵活的软件和硬件开发环器、中断控制器、UART等境，方便用户进行系统设计和开发的特点NiosII可配置性高性能NiosII处理器是一个高度可配置的处理器它允许用户根据自己的需求选尽管可配置性很高，但NiosII处理器仍然可以提供高性能它具有高速的择处理器特性，例如指令集、缓存大小和外设接口执行速度和低功耗特性的基本组成NiosIICPU内核内存系统总线系统外设接口NiosII处理器核心是系统的心内存系统用于存储程序代总线系统连接CPU、内存、外设接口连接各种外部设脏，负责执行指令，控制数码、数据和系统状态，提供外设等，实现数据传输和系备，扩展系统功能，例如据流CPU访问数据的地方统协调UART、定时器、GPIO等的结构NiosII CPUNiosII CPU采用流水线结构，执行指令时，可以将指令的取指、译码、执行、访存、写回等操作并行进行，提高CPU的执行效率NiosII CPU支持多种指令集，包括基本指令集、浮点指令集、DSP指令集等，能够满足不同应用场景的需要此外，NiosIICPU还支持多种寻址方式，包括寄存器寻址、立即数寻址、直接寻址、间接寻址等，方便用户灵活访问内存数据的存储系统NiosIINiosII处理器采用分层存储体系结构，包括片上内存on-chipmemory、外部存储器external memory和缓存cache片上内存通常包括SRAM，速度快，容量小，用于存储程序和数据外部存储器包括SDRAM、Flash等，速度慢，容量大，用于存储操作系统、应用程序和数据文件缓存用于提高系统性能，通过存储最近访问的数据，减少访问外部存储器的次数的总线系统NiosIINiosII处理器拥有一个灵活的总线系统，包含Avalon总线和外部总线Avalon总线用于连接片上外设，具有高带宽和低延迟的特点外部总线则用于连接片外的存储器和外设，可根据具体应用场景选择不同的接口标准NiosII的总线系统支持多种存储器类型，包括SRAM、SDRAM、Flash和ROM等总线系统还支持多种外设接口，例如UART、SPI、I2C和GPIO等，方便用户扩展系统功能的中断系统NiosII中断控制器中断向量表中断优先级NiosII中断控制器负责接收和处理来自中断向量表包含了每个中断的地址，系NiosII支持中断优先级，可以根据重要外设和系统事件的中断请求统根据中断向量表找到对应的中断处理程度设置不同的中断优先级，以便在多程序个中断同时发生时处理更紧急的中断的外设接口NiosIINiosII处理器提供了丰富的片上外设，例如定时器、通用输入输出端口、串行接口、SPI接口、I2C接口等这些外设通过特定的寄存器进行控制，并使用相应的驱动程序来访问它们为NiosII系统提供了与外部世界交互的接口的片上外设NiosIINiosII处理器内置了一系列片上外设，包括定时器、通用I/O、JTAG接口等这些外设可以方便地与外部系统进行交互，扩展NiosII处理器的功能NiosII的片上外设为开发者提供了灵活性和便捷性，使系统设计更加高效开发者可以通过NiosII的软件开发环境，例如Nios IIEDS，对这些外设进行编程，实现各种功能Nios IIEDS提供了一套完善的工具和库，可以帮助开发者完成外设的配置、驱动编写、测试等工作的软件开发环境NiosII软件开发工具编译器和链接器调试器库和驱动程序NiosII软件开发工具包SDK NiosII SDK包含C/C++编译调试器允许您单步执行代NiosIISDK包含各种库和驱提供了各种工具和库，用于器、汇编器和链接器，用于码、设置断点并检查变量动程序，用于访问硬件外开发和调试嵌入式应用程将源代码转换为可执行代值，以帮助您查找和修复错设，例如定时器、串口和内序码误存控制器的硬件开发环境NiosIIQuartus IISOPC Builder12Altera提供的设计软件，用用于构建和配置NiosII处理于创建和配置NiosII系统器系统，包含各种外设和内存Nios IIEDS硬件开发板34Nios II嵌入式设计套件，提用于验证和测试NiosII系统供编译器、调试器和模拟的实际硬件平台器设计流程NiosII系统需求分析1确定设计目标，明确功能需求硬件设计2基于NiosII架构，设计硬件系统软件设计3开发嵌入式软件，实现系统功能仿真与调试4验证硬件和软件的正确性综合与验证5将设计转化为实际电路NiosII的设计流程是多阶段的，从系统需求分析到最终的综合验证，需要进行一系列的步骤的片上总线NiosIINiosII处理器采用片上总线结构，连接处理器核心、存储器、外设等片上总线结构提高了系统效率，降低了硬件复杂度NiosII片上总线分为数据总线、地址总线和控制总线三部分数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输控制信号的内存映射NiosII内存地址空间地址范围访问控制NiosII的内存映射定义了系统中每个内通过内存映射，可以分配和访问CPU、内存映射为操作系统和应用程序提供了存组件的地址范围，并提供了一种将物外设、存储器和其他硬件组件的内存地一种有效的机制来管理和控制对内存资理内存地址与逻辑地址相映射的方式址源的访问的内存接口NiosIINiosII内存接口负责连接CPU和外部内存内存接口提供数据传输通道，允许CPU读取和写入内存数据接口还支持多种内存类型，例如SDRAM、SRAM和Flash存储器的中断处理NiosII中断请求中断服务程序外部事件触发中断请求，例如键盘按下、定时器溢出等CPU保存当前状态，跳转到对应中断服务程序处理中断事件1234中断控制单元中断返回中断控制单元根据优先级和状态选择需要处理的中断中断服务程序完成后，CPU恢复中断前的状态，继续执行主程序的定时器NiosIINiosII处理器提供一个高精度定时器，用于实现精确的时间测量和计时功能定时器可以配置为产生中断，以便在特定时间间隔触发事件或执行特定任务定时器广泛应用于各种应用程序中，例如实时控制、数据采集和通信协议等的通用输入输出NiosII通用输入输出引脚GPIO接口示例GPIO编程NiosII包含通用输入输出GPIO引脚，用通过GPIO，您可以控制LED灯、读取传使用NiosII软件开发环境，您可以轻松于与外部设备进行通信感器数据等配置和控制GPIO引脚的接口NiosII JTAGJTAG接口是一种用于测试和调试嵌入式系统的标准接口它允许开发人员访问NiosII处理器的内部状态，并进行硬件和软件调试JTAG接口使用边界扫描技术，可以通过连接到芯片上的JTAG引脚进行访问开发人员可以使用JTAG工具来下载程序、读取寄存器值、设置断点和分析程序执行的嵌入式软件NiosII操作系统开发工具NiosII支持多种嵌入式操作系统，如NiosII提供丰富的软件开发工具，包括FreeRTOS、μC/OS-II、Linux等，用户编译器、汇编器、链接器、调试器等，可根据需求选择合适的操作系统方便用户进行软件开发驱动程序应用程序NiosII提供多种外设驱动程序，例如用户可以根据具体应用需求开发应用程UART驱动、SPI驱动、I2C驱动等，方序，例如控制电机、采集传感器数据、便用户控制片上外设进行数据处理等的软件编程NiosII汇编语言编程C语言编程NiosII支持汇编语言编程，可以直接操作硬件资源，例如寄NiosII支持C语言编程，可以使用标准库函数，提高代码可读存器和内存地址性和开发效率汇编语言编程效率高，但代码可读性差，开发难度大，不适C语言编程适合大型复杂程序开发，但需要编译器和链接器合大型复杂程序开发将C代码转换成可执行文件的系统调用NiosII系统调用机制系统调用函数

1.

2.12NiosII系统调用允许应用程序访问内NiosII提供了一系列系统调用函数，核功能，例如内存管理和外设访例如`open`、`read`和`write`，问用于访问文件系统系统调用指令系统调用表

3.

4.34应用程序通过`syscall`指令调用系统系统调用表包含了所有系统调用的调用，并将参数传递给内核地址，内核根据系统调用号查找对应函数地址的异常处理NiosII异常处理异常类型异常处理例程异常恢复当处理器遇到错误或意外事异常类型包括指令错误、数异常处理例程用于识别异常处理完异常后，处理器可能件时，处理器会停止执行当据错误、内存错误、中断类型，并采取相应的处理措会恢复正常执行，或终止程前指令，并转入异常处理例等施序运行程的外设编程NiosII外设接口外设驱动

1.

2.12NiosII支持多种外设接口，包括为每个外设编写驱动程序，实现对SPI、UART、I2C等外设的操作外设配置外设测试

3.

4.34配置外设寄存器，设置外设的工作使用测试程序验证外设的功能是否模式正常的仿真与调试NiosII硬件仿真软件调试使用仿真软件模拟NiosII硬件使用调试器进行软件代码调环境，验证硬件设计，包括试，包括设置断点、单步执CPU、存储器、外设等行、查看变量值等联合调试结合硬件仿真和软件调试，进行系统级调试，验证硬件和软件的协同工作的综合实验NiosIINiosII的综合实验是巩固知识、培养实践能力的关键环节通过精心设计的实验项目，学生能够深入理解NiosII体系结构和相关技术，并锻炼动手操作能力，提高解决实际问题的能力实验准备1硬件平台，软件工具，实验方案实验过程2实验步骤，数据采集，结果分析实验报告3实验结果，分析总结，创新思考的应用实例NiosII工业自动化医疗设备NiosII可用于控制工业机器人，实现自动化NiosII可用于开发医疗设备，例如心电仪、生产流程血压计等网络设备消费电子NiosII可用于设计网络路由器，实现数据包NiosII可用于开发消费电子产品，例如数码的转发和处理相机、智能手机等的未来发展NiosII更强大的性能更丰富的功能随着半导体技术不断进步，NiosII将拥有更快的处理速度、未来NiosII将支持更多外设接口、更复杂的网络协议，并提更大的存储空间、更低的功耗供更完善的软件开发工具课堂小结体系结构概述核心组成NiosII NiosII12NiosII是Altera公司推出的嵌入式处NiosII处理器包含CPU、存储系统、理器，具有高性能、低功耗、灵活总线系统、中断系统、外设接口等可扩展等特点部分，可根据应用需求进行定制配置开发流程应用领域NiosII NiosII34NiosII开发流程包括硬件设计、软件NiosII广泛应用于通信、工业控制、编程、仿真调试等环节，可以使用消费电子等领域，可根据应用需求Altera提供的软件工具进行开发进行定制和开发答疑与讨论欢迎同学们积极提问，共同探讨学习过程中遇到的问题，加深对NiosII体系结构的理解老师会针对同学们提出的问题进行详细解答，并引导大家进行深入思考，拓展知识面，提升解决问题的能力讨论环节旨在营造一个开放的交流氛围，鼓励同学们分享经验，互相学习，共同进步希望通过问答和讨论，帮助同学们更好地理解NiosII体系结构，为后续学习和实践打下坚实基础。