SOPC设计

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SOPC Development
FPGA Programming
Hardware-Software Integration
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本文介绍了SOPC设计的概念、开发软件、开发流程及具体步骤，包括使用Altera的Quartus II和Eclipse软件。主要步骤包括定制SOPC系统模块、建立工程、编写程序、调试及生成可执行文件。还提供了简单的SOPC开发步骤和实例，如搭建Qsys系统和编写驱动程序的详细过程。
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Dec 29, 2025 03:35 AM
一：SOPC概念/术语/名词二：开发软件三：SOPC的开发流程四：Qsys和Quartus II硬件开发的具体步骤五：Eclipse软件开发的步骤六：简单SOPC的开发步骤七：SOPC设计实例

一：SOPC概念/术语/名词

可以详见SOPC概述文档。

二：开发软件

以Altera为例：
Quartus II/Qsys（硬件部分的开发）/Eclipse（软件部分的开发）。

三：SOPC的开发流程

主要有三个步骤：
  1. 采用Qsys集成开发工具定制SOPC系统模块，包括Nios II处理器以及相应的外设模块/组件；
  1. 采用Quartus II软件建立工程和顶层实体，完成硬件语言的逻辑电路；
  1. 采用Eclipse软件编写与Qsys系统相配套的程序/软件使其运行在Nios II处理器上。
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四：Qsys和Quartus II硬件开发的具体步骤

  1. 使用Quartus II软件创建一个新工程，选择具体的FPGA型号；
  1. 当工程建立完成后，在Quartus II软件中打开Qsys软件，从Qsys软件的处理器库和外设模块/组件库中选择合适CPU（Nios II核）、存储器以及外围器件（定时器/GPIO/UART/EPCS…等IP核），并定制和配置其功能；
  1. 分配外设地址和中断号，设定复位地址，最后生成Qsys系统；
  1. 用户也可以添加用户自身定制指令逻辑到Nios II内核以加速CPU的性能，或添加用户外设以减轻CPU的任务；
  1. 使用Qsys软件生成系统后，将其集成到整个Quartus II工程中，可以在Quartus II工程中加入Nios II系统以外的逻辑，大多数的SOPC设计都包括Nios II系统以外的逻辑，这也就是SOPC的优势所在，用户可以集成自身定制的逻辑模块到SOPC设计，或集成从Altera或者第3方IP供应商得到的其它现成的IP模块；
  1. 使用Quartus II软件为Nios II系统上的各I/O分配管脚，另外还要根据要求进行硬件编译/约束的设置；
  1. 最后编译Quartus II工程，在编译过程中Quartus II将对Qsys生成的系统的HDL文件进行布局布线，从HDL源文件综合生成一个适合目标器件的网表，生成FPGA的配置文件（.sof文件）；
  1. 使用Quartus II中的下载选项和下载器，将配置文件（.sof文件）下载到板卡，也可以将配置文件固化板卡上的非易失存储器中（Flash：EPCS16），方便后续的开发验证。

五：Eclipse软件开发的步骤

  1. 打开Eclipse软件，将Qsys软件生成的.sopcinfo文件导入到Eclipse中可进行用户程序开发，这一步可以在Qsys生成系统模块后立即执行，也可以在整个系统编译完成，并将.sof文件下载到板卡中后执行；
  1. 当Eclipse软件完成用户程序时，可以对用户程序进行编译，如果出现错误，需要解决所在问题，如果没有出现错误，软件便会生成可执行的文件（.elf文件），将.elf文件下载到板卡中就可以执行程序（下载.elf文件前，一定要先下载.sof文件，否则将出现错误提示）。

六：简单SOPC的开发步骤

  1. 分析系统需求；
  1. 启动Quartus II软件和新建实例设计工程；
  1. 启动Qsys系统；
  1. 在Qsys中完成组件和处理器之间的连接并生成系统；
  1. 集成Qsys系统加载在Quartus II工程；
  1. 编译系统并分配管脚；
  1. 将配置文件（.sof文件）下载FPGA板卡中；
  1. 启动Eclipse软件进行用户程序开发；
  1. 调试用户程序；
  1. 生成可执行的文件（.elf文件）；
  1. 运行程序（将.elf文件下载FPGA板卡中）

七：SOPC设计实例

  1. 搭建Qsys系统（LED流水灯）
      2. （1）：Qsys系统框架图
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      JTAG UART组件：来实现PC和Nios II系统间的串行通信。
      （1）：在Qsys中添加需要的组件
      （2）：需要对每个组件进行命名
      （3）：对组件进行手动连线
      连线时遵循以下原则：数据主端口连接存储器和外设元件；而指令主端口只连接存储器元件。
      如果是存储器类IP核，比如ROM/RAM，就需要将Nios II中数据和指令端口连接；
      （4）：在连接好的图中，做以下修改
      • on-chip ROM上对地址进行上锁，点击小锁即可。
      • 在PIO栏Export中需要引出pio_led端口。
      （5）：需要设置Nios II复位和异常向量。
      （6）：自动分配基地址
      （7）：生成Qsys系统
      （8）：集成Qsys系统加载在Qauartus II工程中
      （9）：搭建顶层
      （10）：分配I/O
      （11）：全编译，生成.sof文件
      （12）：下载到FPGA板卡
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  1. Eclipse软件写驱动程序（C++）
      • 打开Eclipse软件后，导入.info文件，生成HelloWord模版
      • 在Qsys_Led工程中Bulid Project，如果没有错误，会在信息栏打印模版中的字符
      • 在设计中会提示存储器存储空间不够的错误，修改如下
          • notion image
      • 再次Bulid Project，就没有错误了，在工程中RUN AS（Nios II HardWare），然后打印模版中的字符
      • 在HelloWord模版将程序替换为流水灯程序
      • 再次Bulid Project，程序正确情况下，在工程中RUN AS（Nios II HardWare）
      • 可以看到LED进行流水（FPGA板卡可以看到现象）
          • notion image
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