引言

SOPC(System On Programmable Chip)是用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一片硅片上的一種特殊嵌入式系統(tǒng)。一方面，它片上系統(tǒng)(SOC)完成整個系統(tǒng)的邏輯功能;另一方面，它是可編程系統(tǒng),具有靈 活的設計方式，可裁剪、擴充、升級，并具備軟硬件在 系統(tǒng)可編程功能。SOPC是PLD和ASIC技術融合的結果，可以認為SOPC代表了半導體產業(yè)未來的發(fā)展方向。本文采用EDA軟件Quartus II中的SOPC Builder構建了一個SOPC系統(tǒng)。并以構建的系統(tǒng)為平臺進行電子鐘的軟件設計。最后在Altera 公司FPGA多媒體開發(fā)平臺DE2上進行實現。該方案不同于基于處理器或控制器及SOC的嵌入式系統(tǒng)，基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)具有可配置的特點，不會包括任何專用外設，而是可根據需要靈活地在一片FPGA中構造外設接口。

ALTERA公司在其開發(fā)工具Quartus II中集成T SOPC Builder工具。在該工具的輔助下，設計者可以非常方便地完成系統(tǒng)集成,軟硬件協同設計和驗 證，以最大限度地提高電子系統(tǒng)的性能，加快設計速度和節(jié)約設計成本。

1  整體設計

數字電子鐘是包括物聯網在內的常用電子設備, 其主要功能是顯示日期、時、分、秒等實時信息，并能 夠方便地對這些實時信息進行設置。

本系統(tǒng)以NiosII軟核處理器為處理器，同時添加了一些必要的外設，如并行輸入輸出口(PIO)、LCD1602模塊、一定容量的片上RAM等，從而構成一個最小系統(tǒng)，以用于實現電子鐘功能。其中定義的三位輸入口(KEY1, KEY2, KEY3 )用作電子鐘的控制鍵。KEY1用于工作模式的切換，在正常工作中可以對各位進行調整；KEY2用于調整的遞減；KEY3用于調整的遞加。兩位的輸出口用來連接蜂鳴器，做整點報時；LCD模塊用作日期和時間的顯示；片上RAM用作各種數據的存儲。

2  硬件設計

2. 1  在SOPC Builder構建SOPC 系統(tǒng)

在Quartus II軟件中打開SOPC Builder,可以按要求依次添加NiosII處理器、30 MB的片上RAM,LCD模塊、三位輸入口和兩位輸出口，再給處理器分配復位向量地址和異常向量地址。然后給各外設分配一個基地址和中斷優(yōu)先級。所構成的系統(tǒng)窗口如圖1所示。這時就可以點擊生成按鈕生成所構建的NiosII系統(tǒng)，如果構建成功，就會有System generation was successful的提示。

2. 2  在Quartus K中搭建硬件電路

設計時，可在Quartus H中建立一個原理圖編輯文件，再將構建的NiosII系統(tǒng)添加進去，并為其添加管腳，同時進行管腳鎖定，圖2所示是其系統(tǒng)硬件電路。這樣，就可以進行編譯并生成用于配置的.sof文件和用于編程的.pof文件。然后再將所構建的系統(tǒng)下載到目標板上的FPGA中，并且連接好各外設。

3  軟件設計

NiosII是一個用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器。Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是NiosII系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務都可以在NiosII IDE下完成，包括編輯，編譯，調試程序。

電子鐘的軟件設計流程主要包括初始化，電子鐘的運行和LCD的顯示，其中后兩個模塊是系統(tǒng)的主要模塊。電子鐘運行模塊主要用來實現電子鐘的計時間和計日期功能,1秒的時間信號可通過軟件延時來實現。LCD模塊用來實現日期和時間的顯示。下面分別介紹這兩個模塊。

3.1  電子鐘模塊設計

電子鐘模塊的軟件流程如圖3所示。初始化的目的是顯示初始日期和時間并使其處于正常工作狀態(tài)。通過KEY1鍵可以進行工作模式的切換，實現日期和時間的校正。最后對要顯示的日期和時間數據進行格式轉換，調整成適合LCD顯示的數據，送給LCD進行實時的日期和時間顯示。

3.2  LCD顯示模塊設計

LCD顯示模塊用來實現電子鐘日期和時間的實時顯示，其軟件流程如圖4所示。

圖4中的LCD初始化包括對LCD的功能設置、顯示開關設置和模式設置。LCD定位到首行首列是通過對LCD寫定位指令來完成的，可用于將顯示位置確定到第一行第一列。寫日期數據到第一行是通過寫數據指令來將要顯示的日期數據顯示在液晶屏的第一行。LCD顯示換行也是通過定位指令來實現的。

在對LCD模塊進行顯示控制時，用到了寫控制命令和寫數據命令。這些命令是針對具體配置的硬件電路而編寫的.h頭文件。LCD模塊的頭文件如下：

這樣編寫是為了和具體的硬件電路相對應，在LCD模塊的硬件描述語言中，液晶模塊RW和RS的地址分配模塊如下：

其中RS信號是命令與數據線，高電平表示目前數據線上交換的是數據,低電平表示目前數據線上交 換的是命令。液晶模塊可以根據這個信號作出正確的 響應。RW是電平信號,高電平表示對液晶模塊執(zhí)行 讀取操作,低電平表示對液晶模塊寫入數據或命令。 這樣便于確定各讀寫操作對應于基地址的偏移量。

最后，再將軟硬件的配置文件下載到DE2開發(fā)板上進行電子鐘的功能驗證。其實驗顯示結果如圖5所示。

4  結論

本文主要介紹了一種基于SOPC的電子鐘的設計方法。并對SOPC硬件系統(tǒng)的設計過程以及基于此硬件系統(tǒng)的軟件功能的設計進行了詳細的介紹。由于在SOPC系統(tǒng)中，軟硬件都可以編程，從而為硬件系統(tǒng)的靈活配置和軟件系統(tǒng)的靈活設計提供了方便，也有利于系統(tǒng)的優(yōu)化和升級。尤其這種量體裁衣的硬件配置方式，可以最大限度的提高系統(tǒng)的性價比。同時，也可以利用HardCopy技術，將成功實現于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)通過特定的技術直接向ASIC轉化。