NIOS开发结构基础简介

我们使用VHDL语言，根据FPGA管脚与数码管和按键管脚的连接，通过一系列的语句控制管脚电平的高低，从而让FPGA实现数码管显示功能。可见，对于比较简单的功能实现，可以像这个例子中那样，直接控制最底层资源，甚至对每个管脚在每个时刻的电平输出了如指掌。
但是，如果设计稍显复杂，那么对底层细节的过多关注就会成为一种累赘。
试想我们平时在电脑上编写C程序，比如在显示器上输出一行字，我们只用一句printf()即可完成，至于打印命令怎么传到显示芯片上，哪个芯片管脚怎么 变化，又怎么传到显示器上输出，诸如此类涉及底层硬件的问题，我们没必要关注太多。于是，我们把用printf()这类高级语言描述设计逻辑的工作称为软 件设计。显然，软件只是一种抽象的看不见摸不着的东西，它的结构接近于人类思维逻辑。无论软件再怎样构思精妙，只有在硬件上才能体现出实际效果。
做计算机开发应用程序的时候，硬件是现成的，软硬件之间的桥梁早就由操作系统给你搭好了，我们只需专心完成软件的构思和设计就OK。
显而易见，软硬件的分工会给电子设计带来极大的方便，自然有人把这种分工方式引进FPGA设计领域，琢磨着怎么在小小的FPGA上也搞个软硬件协同设计，负责硬件设计的和负责软件的各司其职，最后pia一整合，效率倍增。
来看看nios是怎么做的。拿出DE2开发板，上面很多外设接口和与之连接的芯片，那是硬件，中间有一块大的CycloneII芯片，里面是空的，等着我 们编写程序下载到里面运行，前篇文章我们用最原始的方法写了个数码管控制器，这次我们换种方法，同样是数码管控制器，用软硬件协同设计来完成。
跟计算机对比，硬件我们有了，软件就用C语言来写，但是nios系统可没提供WinXP，也就是说软件和硬件之间的那座桥还得自己解决。

看上图，这座桥分为3个层次：硬件控制层，设备驱动层，硬件抽象层（简称HAL）。既然是软硬件的过渡部分，那么这3层的设计需要对硬件和软件都有一定程度的了解，姑且称之为“软硬件混杂设计”吧。
每一层所要完成的任务，就是整合和简化硬件操作细节，整合，再整合，使其一目了然。


1> 硬件控制层
与硬件直接打交道的是硬件控制层。
上面提到，搭“桥”的目的是让软件设计人员可以完全忽略硬件操作细节，因此，我们希望所有的硬件细节都能在这层解决，并向设备驱动层提供整齐的“接口”。之前的例子可看作硬件控制器的雏形，但还缺少与设备驱动层的接口。
何为“整齐”呢？比如说，设计数码管控制器，我想让它显示数字“5”，最好的方法是，我将数据“5”和表示“显示”的命令从设备驱动层传给硬件控制层，直 接告诉它：我要“数码管”“显示”“5”。至于要控制哪个管脚电平高低才能显示“5”，全由硬件控制层负责。
类似这样分工合作的例子在日常生活中屡见不鲜。比如说，邮局要将一封信送给家住A小区的张三，邮递员把信放入A小区的信箱，小区物业再去确认张三的具体住处，把信最终送到张三手中。
类比可见，邮局相当于设备驱动，物业相当于硬件管理器，张三则是具体的硬件，邮局和物业之间的接口是物业提供的信箱，设备驱动和硬件管理层之间的接口，我们称之为“寄存器”，同样由硬件管理层提供，“寄存器”是两层之间得以明确分工和相互联系的关键。
设备驱动开发人员眼中的硬件就是一组寄存器的抽象，通过读写寄存器间接控制硬件行为。
那么，在数码管控制器里加入一个数据寄存器和一个命令寄存器：

data_reg存储待显示的数据，cmd_reg为‘1’时显示，为‘0’时清空。


2> Avalon总线
你可能会说，这有什么？在每个硬件管理器和设备驱动之间都建立一个通道呗。这是最直接的办法，但显然不是最好的办法。试想，城市为什么要建高速公路呢？多 修几十根羊肠小道不也一样能跑车吗？有人回答：为了收养路费呗。$%@! 小路上开车，速度慢且不说，管理协调是个大问题，是一条大公路容易管理，还是几十根羊肠容易理顺？
好了，回到正题，nios系统需要一条“高速公路”，称为“总线”，“总线仲裁器”则行使“交通管理局”的角色，控制数据的进出，并为每个硬件提供一个进 出“高速公路”的接口，用“地址”来标识这个接口的位置。nios采用的是Avalon总线，它有着一套接口规范：
同步时钟 clk
片选信号 chipselect
地址 address
读请求 read
读传输 readdata
写请求 write
写传输 writedata
这些是比较重要的接口信号，其它的不一一列举了。硬件控制器要接入总线，必须遵循接口规范，就像高速公路出口必须摆个收费站一样。

那么在数码管控制器里加入Avalon总线信号：

既然加入了两个寄存器和avalon信号，就需要对硬件逻辑进行必要改动，大致过程是，当chipselect和write有效时，将 write_data赋给address对应的寄存器；当chipselect和write有效时，将address对应寄存器的值赋给 read_data。另外，根据这两个寄存器的内容决定数码管输出信号oSEG0。代码不贴出来了，具体见工程压缩包。

3> 设备驱动程序
其实，“总线仲裁器”也可看作一种硬件控制器，只不过它管的不是具体的硬件，而是负责数据的传输。那么它也有自己的设备驱动，封装了总线操作的细节。既然总线是现成的，我们秉承“拿来主义”的原则，甭管它怎么实现的，会用就行。
例如，数码管设备驱动要把数据“5”和“显示”命令传给数码管控制器，设计两个函数，由于数据和命令的传递必须经过总线，那么需调用总线驱动函数IOWR(基地址, 偏移量, 数据)，另外，读取寄存器用到IORD(基地址, 偏移量)，这两个函数在io.h>里。
io.h>的路径是..alterakits ios2_60componentsaltera_nios2HALinc。
至此，“桥”搭完。

函数功能从字面上很好理解。刚才定义两个寄存器时，data_reg在前面，所以偏移量是0，cmd_reg在后面，偏移量是1。××_REG_MSK称 为掩码，avalon总线数据接口共32位，但我们设计的data_reg位宽是3，cmd_reg位宽为1，掩码的作用在于告知寄存器宽度，知道就行， 实际上用不着。××_REG_OFST是寄存器内的偏移量，这里同样用不着，先写上吧。
OK，我们的数码管设备驱动文件正式出炉了，看看是不是简洁明了很多啊？

4> 硬件抽象层（HAL）
设备驱动程序封装的仅仅是对某个寄存器的一次读写操作，功能单一，需要在硬件抽象层再做一次封装。
直接将这些函数列出来，一目了然，不作多余的解释了。