DE2-115开发板基于verilog和nioⅡ的流水灯实现

一、 内容概要

在DE2-115开发板上分别用 Verilog和 Nios软件编程两种方式完成LED流水灯显示，理解两种方式的差异

二、 实现

2.1 基于Nios II软核的流水灯

2.1.1 准备工作

1. Quartus II
2. DE2-115开发板
   

2.1.2 工程搭建

1. 打开Quartus，新建一个工程
   按照图片进行如下选择
   
   
   选择芯片
   
   finish

2.1.3 硬件代码设计

Ⅰ 连接IP核

类似于以可视化界面的方式进行verilog里面的通过顶层文件连接各模块操作

找到platform Designer，某些版本可能是 Qsys

首先设置时钟

默认即为50MHZ，设置好后点右下角finish

左侧通过搜索栏进行搜索，添加以下模块：

Nios Ⅱ Processor (nios软核处理器)
On-Chip Memory (储存器)
JTAG UART （JTAG、UART）
System ID Peripheral （为Nios II生成一个ID号）
pio (流水灯管脚)

先全部点Finish保持默认


三连击Name标签下的属性可以修改名称：

略微修改了一下名字

连接模块：

clk，reset，datamaster需要和其他所有IP核连接，nios ii的指令端口（instruction_master)只与存储器进行连接，nios ii中的jtag_debug_model_reset与外部IP核进行连接 。jtag端口的中断信号的连接，其中0表示中断的优先级（可以进行设置）

接下来进行参数配置（右键模块点击edit）

1. On-chip Memory
   设置为10k（10240）
   
2. nios
   
3. PIO
   将width设置为4表示4个Led灯
   
   把管教名设置为led
   

然后系统分配地址

完成后就不报错了

最后点击右下角Generate生成


然后等待

完成后一路finish

Ⅱ 编写代码

回到Quartus，新建一个verilog文件


写入代码

module led_ctrl(
	input clk,
	input reset_n,
	output  [3:0] led
);

Ⅲ 各种配置

找到生成的文件添加

找到这个总文件,根据管脚信息在之前写的代码里面加入:

demo2_waterled u0 (
        .clk_clk       (clk),       //   clk.clk
        .reset_reset_n (reset_n), // reset.reset_n
        .led_export    (led)     //   led.export
    );

这样完整的代码即为：

module led_ctrl(
	input clk,
	input reset_n,
	output  [3:0] led
);

demo2_waterled u0 (
        .clk_clk       (clk),       //   clk.clk
        .reset_reset_n (reset_n), // reset.reset_n
        .led_export    (led)     //   led.export
    );

endmodule

配置一下管脚

然后进入Dual-purpose Pins，全部设置为Use as regular I/O

然后编译一下

然后分配一下管脚

重新编译

2.1.4 软件代码设计

Ⅰ 环境构建

通过此处打开eclipse

自己选定一个工作空间（不一定是当前项目目录）
进入初始界面后创建文件


点击NEXT

点击Finish
完成后找到这个文件

Ⅱ 编写代码

把hello_world.c的代码修改为:

#include <stdio.h>
#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
const alt_u8
led_data[4]={0x01,0x03,0x07,0x0F};
int main (void) {
 int count=0;
 alt_u8 led;
 volatile int i;
 while (1)
  {
 	 if (count==4)
 	 {
 		 count=0;
 	 }
 	 else
 	 {
 		 count++;
 	 }
 	 led=led_data[count];
 	 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, led);
 	 //延时的设置
 	 i = 0;
 	 while (i<5000000)
 		 i++;
   }	
 return 0;
}

保存

而后右键waterled_bsp，再Nios II 中选择BSP Editor进行如下配置：

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/0697eb0f10f54a1f95cc607c7c6d28bc.png

选择Generate BSP

然后右键waterled，选择build project

完成

2.1.5 代码下载

Ⅰ 硬件下载

Ⅱ 软件下载

回到eclipse，右键waterled，选择Run As中的Nios II Hardware

刷新一下

然后先apply再run

2.1.6 运行结果

2.2 Verilog流水灯

直接编写Verilog代码

module led_ctrl(input En,input CP,input Dn,output reg [0:7] Out);//匹配8个灯，故宽度为8
reg [25:0] cnt;
reg cnt1;
reg Cn;
parameter cnt_max = 26'd49_999_999;//时钟的频率是50mhz，要实现几秒钟变一次就调到//相应时间，例子为1s每次

always@(posedge CP or negedge En)//该always循环实现的是一秒钟的计数
   if(En==1'b0)
 	cnt<=26'd0;
   else if(cnt == cnt_max)
	cnt<=26'd0;
   else 
	cnt<=cnt + 1'b1;
always @(posedge CP or negedge En) //cnt每次为1代表到了一秒钟
   if(En==1'b0)
 	cnt1<=1'b0;
   else if(cnt == cnt_max-1'd1)
	cnt1<=1'b1;
   else 
	cnt1<=1'b0;

always @(posedge CP or negedge En)
	if(En==1'b0) begin
	  if(Dn==1'b1)                  //用 Dn来判断赋不同的值，1为亮，也就可以实现两个灯一起移动的选择
 	     Out <=8'b00000001;
	  else
	     Out <=8'b00000011;
	 end
   else begin
	    if (Out[0]==1'b1)//不用判断整个Out，只需要判断最边上的1，为1则表示需要改变方向，方向由Cn判断
		      Cn<=1'b1;
		 else if(Out[7]==1'b1)
		      Cn<=1'b0;
	      if (cnt1==1'b1) begin
		      if(Cn==1'b1)
			       Out<={1'b0,Out[0:6]};//右移
			    else
			       Out<={Out[1:7],1'b0};//左移
			 end
   end


endmodule

管脚配置

正常编译烧录就行
结果：

三、 心得体会

·理解硬件与软件编程的差异：通过实践，我更深入地理解了硬件描述语言（如Verilog）和软件编程（如C语言）在FPGA设计中的应用差异。

·硬件编程的直观性：使用Verilog直接编程，可以直观地控制硬件行为，如LED的亮灭顺序，这种方式更接近底层硬件，对FPGA的资源利用和性能优化有更直接的控制。

·软件编程的便利性：Nios II软核提供了一个类似于通用处理器的环境，可以使用高级语言（如C语言）进行编程，这使得开发过程更加简便，代码更易于理解和维护。

·综合工具的重要性：无论是硬件还是软件编程，都需要依赖于综合工具（如Quartus II）来将设计部署到FPGA上。这些工具提供了图形界面和自动化流程，极大地提高了开发效率。

·学习曲线：Verilog编程可能对初学者来说有一定的难度，因为它需要对硬件电路有一定的理解。而Nios II软核编程则更容易上手，因为它使用的是更熟悉的编程语言和概念。

对比
·开发速度：使用Nios II软核进行软件编程通常开发速度更快，因为它允许开发者使用高级语言和现有的库函数。

·资源消耗：硬件编程（Verilog）通常对FPGA资源的消耗更少，因为它直接控制硬件，而软件编程可能需要更多的资源来运行软核处理器。

·性能：硬件编程可以实现更高的性能，因为它可以精细控制时序和并行操作，而软件编程可能受限于软核处理器的性能。

·灵活性与可移植性：软件编程在灵活性和可移植性方面具有优势，因为编写的软件可以在不同的硬件平台上运行，而硬件编程则更依赖于特定的FPGA架构。

·调试与测试：硬件编程的调试可能更复杂，需要使用仿真和硬件测试工具。软件编程则可以使用标准的调试工具，如Eclipse的调试器。

·应用场景：对于需要高性能和低延迟的应用，硬件编程可能更合适。而对于复杂的算法和数据处理任务，软件编程可能更加高效。

四、 参考链接

1. https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115933154
2. https://blog.csdn.net/m0_64791246/article/details/125114387
3. https://blog.csdn.net/qq_31348733/article/details/101310105
4. https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/115953871