UCOSii项目在NIOSii上的移植

概览

本次使用Altera公司的NIOS II软核。

使用Quatus工具生成BSP并利用BSP打包工具生成UCOSII嵌入环境。

手动书写LCD驱动与显示函数，对UCOS II加入简单图像显示接口。

./
├── create-this-app
├── driver        #板子的具体驱动（非操作系统）
│   ├── init.h    #初始化
│   ├── irs.h     #中断处理
│   ├── lcd.h     #LCD驱动
│   ├── sys.h     #系统驱动
│   └── tools.h   #工具
├── lib          #显示库
│   ├── ansii_lib.h
│   ├── cn_lib.h
│   ├── color.h
│   └── values.h
├── Makefile
├── obj
│   └── default
│       ├── sys_kernel.d
│       └── sys_kernel.o
├── readme.txt
├── sys_kernel.c    #系统的主函数
├── sys_user_interface.elf
├── sys_user_interface.map
├── sys_user_interface.objdump
└── tasks          #任务文件夹
    ├── task1.h
    └── task2.h

NIOS II软核生成

由于这次没有加载其余IP核，这次的软核非常简单，没有预留过多IP核PIO接口：

UCOSii项目在NIOSii上的移植

软核工程中包含以下内容：

NIOS II processer
软核时钟信号
外部存储器接口
SPI总线接口
一个控制LCD屏幕亮度的接口
一个软核版本控制器

若是有其余IP核需要加入，则需要单独的PIO进行交互，或者选择其余总线协议与IP核交互。

总线的速度非常慢，在软核中推荐使用可编程布线来进行交互。

具体软核IP核交互可以参考我的博客中的DES核与卷积核，这里不做过多描述。

FPGA工程概览

UCOSii项目在NIOSii上的移植

其中由于板载频率问题，加入了PLL

UCOSii项目在NIOSii上的移植

然后右边接了一个处理LCD的亮度的PWM模块也非常简单，不做过多描述。

UCOS II环境配置

由于这里使用的是Altera公司提供的NIOS II软核，其有完整的BSP与系统移植。

这里只需要根据选择软核生成对于此板子的BSP。

选择一个UCOS的系统工程即可。（还提供了其他的RTOS）

LCD 驱动书写

显示器驱动

LCD显示屏初始化

void LCD_init() {
//************* Reset LCD Driver ****************//
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 1);
    delay_ms(200);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 0);
    delay_ms(200);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 1);
    delay_ms(10);
//************* Start Initial Sequence **********//
//剩余参数配置见源代码，这里不予展示
}

LCD初始化可以直接利用芯片厂商提供的代码，或者参考芯片资料中的参数配置自行完成。

UCOSii项目在NIOSii上的移植

LCD显示驱动

查阅ILI9481芯片手册，可以将发送一次指令和内容打包成Index与cmd两个函数。

这两个函数内容如下：

void LCD_ILI9481_INDEX(unsigned int data) {
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
}
void LCD_ILI9481_CMD(unsigned int data) {
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
}

发送一个指令的流程为先利用cmd函数发送指令，再用INDEX函数发送指令内容。

再将LCD显示一个像素的图像打包为set_addr和send_data两个步骤，先通过set_addr发送像素地址，再用send_data发送像素颜色信息。

send_addr的时序可以通过查阅芯片手册来得知，其代码如下：

void set_addr(unsigned int x, unsigned int y){
    LCD_ILI9481_CMD(0x002b);
    LCD_ILI9481_INDEX(x >> 8);
    LCD_ILI9481_INDEX(x & 0x00ff);
    LCD_ILI9481_INDEX(0x0001);
    LCD_ILI9481_INDEX(0x00df);

    LCD_ILI9481_CMD(0x002a);
    LCD_ILI9481_INDEX(y >> 8);
    LCD_ILI9481_INDEX(y & 0x00ff);
    LCD_ILI9481_INDEX(0x0001);
    LCD_ILI9481_INDEX(0x003f);

    LCD_ILI9481_CMD(0x002c);
}

同样，可以写出send_data如下：

void send_data(unsigned int data) {
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
}

LCD显示工具

ascii码显示工具（中文显示工具原理相同），利用lcd_buffer传参数，字母数据保存在word_libc

  void display_ascii(unsigned int x, unsigned int y, unsigned int w_color,
unsigned int b_color) {
unsigned int i, j, k = 0;
unsigned char str;
unsigned int OffSet, z;

while (1) {
if (lcd_buffer[k] == 0) {
            set_addr(0, 0);
return;
        }
        z = lcd_buffer[k];
//每个字符在wordlib中用11
        OffSet = z * 11;
//显示一个字符 该字符的像素大小为
for (i = 0; i < 11; i++) {
//读取字符表示中的一个字符的一行
            str = word_lib[OffSet + i];
for (j = 0; j < 8; j++) {
//设置显示像素点的相对左边
                set_addr(x + j, y - i);
//如果是要显示的话，就显示前景颜色
if (str & 0x80) {
                    send_data(w_color);
                } else {
//如果是不显示的话，显示背景颜色
                    send_data(b_color);
                }
                str <<= 1;
            }
        }
        x += 8;
        k++;
    }
  }

通过如下方式利用该工具

  sprintf((char * )lcd_buffer, " Test ");
  display_ascii(12, 16, 0x0000, MENU_FULL_COLOR);

图片显示则利用如上所述的set_addr与send_data完成，欢迎界面显示函数如下

（图像利用工具转换后放在welcome数组之中）

中断处理

时钟中断在此版本中暂时用于处理背光，中断的申请与定义可见各NIOS教程，处理函数如下

void timer(void* context) {
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS(TIMER_BASE, 0);
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(TIMER_BASE, 0x0b);

//控制LCD的背光灯
if (LED_PWM_DATA <= 130) {
    LED_PWM_DATA += 1;
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PWM_LED_BASE, LED_PWM_DATA);
}
IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(TIMER_BASE, 0x07);
}

按键中断则是SPI总线来读取按键值

void KeyListener(void* context) {
KEY_IS_DOWN = !KEY_IS_DOWN;
unsigned char i = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) {
    send_KEY(((0xfeff << i) >> 8) & 0xff);
if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) != 0x03) {
if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) == 1) {
switch (i) {
case 0:
                KEY_DATA = 8;
break;
//...
//见源代码 省去
            }
        } else if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) == 2) {
switch (i) {
case 0:
                KEY_DATA = 0;
break;
//...
//见源代码 省去
            }
        }
break;
    }
}
send_KEY(0x00);
if(KEY_IS_DOWN == 0){
sprintf(lcd_buffer,"keytest");
    display_ascii(417,95,0x0000,0xEF78);
sprintf(lcd_buffer,"%2d",KEY_DATA);
    display_ascii(417,80,0x0000,0xEF78);
}
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PORT_BASE, 0x0000);
}

SPI总线的驱动send_key见下

void send_KEY(unsigned char data) {
unsigned char u;
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_LE_K_BASE, 0);
//串行发送j的数据，通过移位发送j的数据
for (u = 0; u < 8; u++) {
if (data & 0x80) {
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_DATA_BASE, 1);
    } else {
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_DATA_BASE, 0);
    }

    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_CLK_BASE, 1);

    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_CLK_BASE, 0);

    data <<= 1;
//左移发送信号
}
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_LE_K_BASE, 1);
}

工具类

工具类主要提供了delay如下

void delay_ms(unsigned int i) {
unsigned int j, k;
for (j = 0; j < i; j++)
for (k = 0; k < 1000; k++);
}
void delay_us(unsigned int i) {
unsigned int j;
for (j = 0; j < i; j++);
}

系统初始化

cvoid SYS_init() {
    LCD_init();
    Init_background();
    print_screen("============================================");
    print_screen("= =");
    print_screen("= Welcome to UCOS II based on NIOS II =");
    print_screen("= =");
    print_screen("= NIOS II Version : Liu Nian =");
    print_screen("= =");
    print_screen("============================================");
    print_screen("Initial UCOS II");
sprintf((char *)lcd_buffer,"Initial interrupt ...");
    display_ascii(1, LINE_Y, 0xffff, 0x0000);
//初始化中断服务
    alt_irq_init (ALT_IRQ_BASE);
sprintf((char *)lcd_buffer,"DONE");
    display_ascii(DONE_X, LINE_Y, DONE_COLOR, 0x0000);
    LINE_Y = LINE_Y - 10;

sprintf((char *)lcd_buffer,"Initial Key Listener ...");
    display_ascii(1, LINE_Y, 0xffff, 0x0000);
    KEY_init(); //初始化按键中断
sprintf((char *)lcd_buffer,"DONE");
    display_ascii(DONE_X, LINE_Y, DONE_COLOR, 0x0000);
    LINE_Y = LINE_Y - 10;
}

初始化用于测试显示驱动，与初始化中断处理。

int main (void){
    SYS_init();
    OSInit();                                              /* Initialize uC/OS-II */
    OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0);
/*Create semaphore*/
    mutex = OSSemCreate(1);
    full = OSSemCreate(0);
    empty = OSSemCreate(10);
    OSStart();                                             /* Start multitasking */
return 0;
}

初始化系统也是直接调用sysinit()，然后交给Taskstart进行处理。

贪吃蛇移植

有了显示驱动，有了系统框架，移植贪吃蛇也就很快了。

#include <stdio.h>
#include "includes.h"
#include "driver/lcd.h"
#include "driver/init.h"
#include "driver/sys.h"
#include "tasks/task1.h"
#include "tasks/task2.h"

/*
 *********************************************************************************************************
 * CONSTANTS
 *********************************************************************************************************
 */

#define TASK_STK_SIZE 512 /* Size of each task's stacks (# of WORDs) */
#define TASK_0_ID 0
#define TASK_1_ID 1
#define TASK_PRIO 1
#define TASK_0_PRIO 3
#define TASK_1_PRIO 2


#define LEFT 0
#define FRONT 1
#define BACK 2
#define RIGHT 3

#define snake_maxlen 20
#define true 1
#define false 0

/*
 *********************************************************************************************************
 * VARIABLES
 *********************************************************************************************************
 */

OS_STK        TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];            /* Task Start task stack */
OS_STK        Task0Stk[TASK_STK_SIZE];                /* Task #0 task stack */
OS_STK        Task1Stk[TASK_STK_SIZE];                /* Task #1 task stack */

/*
 *********************************************************************************************************
 * FUNCTION PROTOTYPES
 *********************************************************************************************************
 */

void  Task0(void *data);                       /* Function prototypes of tasks */
void  Task1 (void *pdata);
void  TaskStart(void *data);                  /* Function prototypes of Startup task */
static  void  TaskStartCreateTasks(void);
static  void  TaskStartDispInit(void);
static  void  TaskStartDisp(void);


struct snake_node{
int node_x;
int node_y;
} snake[snake_maxlen];


/*$PAGE*/
/*
 *********************************************************************************************************
 * MAIN
 *********************************************************************************************************
 */

/* Semaphores */
OS_EVENT *mutex;
OS_EVENT *full;
OS_EVENT *empty;

int main (void){
    SYS_init();
    OSInit();                                              /* Initialize uC/OS-II */
    OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0);
/*Create semaphore*/
    mutex = OSSemCreate(1);
    full = OSSemCreate(0);
    empty = OSSemCreate(10);
    OSStart();                                             /* Start multitasking */
return 0;
}


/*
 *********************************************************************************************************
 * STARTUP TASK
 *********************************************************************************************************
 */
OS_EVENT *mail1;
OS_EVENT *mail2;

void  TaskStart (void *pdata){
int        need_new = 1;
    TaskStartDispInit();
    OSStatInit();                                          /* Initialize uC/OS-II's statistics */
    TaskStartCreateTasks();                                /* Create all the application tasks */
    mail1 = OSMboxCreate(0);
    mail2 = OSMboxCreate(0);
    OSMboxPost(mail2,&need_new);
    TaskStartDisp();
while(1) {
        OSCtxSwCtr = 0;                                    /* Clear context switch counter */
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0);                         /* Wait one second */
    }
}


/*$PAGE*/
/*
 *********************************************************************************************************
 * INITIALIZE THE DISPLAY
 *********************************************************************************************************
 */

static  void  TaskStartDispInit (void){
    Init_background();
}

static  void  TaskStartDisp (void){
}


static  void  TaskStartCreateTasks (void){
    OSTaskCreateExt(Task0,   /*蛇*/
                    (void *)0,
                    &Task0Stk[TASK_STK_SIZE - 1],
                    TASK_0_PRIO,
                    TASK_0_ID,
                    &Task0Stk[0],
                    TASK_STK_SIZE,
                    (void *)0, /*无扩展*/
                    OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR);//堆栈检查，堆栈清空
        OSTaskCreateExt(Task1,   /*豆子*/
                        (void *)0,
                        &Task1Stk[TASK_STK_SIZE - 1],
                        TASK_1_PRIO,
                        TASK_1_ID,
                        &Task1Stk[0],
                        TASK_STK_SIZE,
                        (void *)0, /*无扩展*/
                        OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR);//堆栈检查，堆栈清空
}




/*
 *********************************************************************************************************
 * My TASKS
 *********************************************************************************************************
 */

int direction;
int count = 0;



int find_way(int target_x,int target_y,int cur_x,int cur_y){
printf("FIND %D %D\n\n",target_x,target_y);
if(cur_x < target_x) return RIGHT;
else if(cur_x > target_x) return LEFT;
else if(cur_y < target_y) return FRONT;
else if(cur_y > target_y) return BACK;
return BACK;

}


int need_new = true;

int target_x = 0;
int target_y = 0;

void  Task0 (void *pdata){
    INT8U *err;
char s[40];
int length = 4;
int i = 0;
int need_grow = false;

    snake[0].node_x = 10;
    snake[0].node_y = 10;
    snake[1].node_x = 9;
    snake[1].node_y = 10;
    snake[2].node_x = 9;
    snake[2].node_y = 9;
    snake[3].node_x = 9;
    snake[3].node_y = 8;

    length = 4;
for(i = 0; i< length ; i++){
        print_xy(snake[i].node_x, snake[i].node_y);
    }
while(1){
if(need_grow){
            length ++;
            need_grow = false;
for(i = length - 1; i > 0;i--){
                snake[i].node_x = snake[i-1].node_x;
                snake[i].node_y = snake[i-1].node_y;
            }
switch (direction) {
case LEFT:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x - 1;
break;
case RIGHT:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x + 1;
break;
case FRONT:
                    snake[0].node_y = snake[0].node_y + 1;
break;
case BACK:
                    snake[0].node_y = snake[0].node_y - 1;
break;
default:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x - 1;
break;
            }


        }
else{
if(target_x == snake[0].node_x && target_y == snake[0].node_y){
                need_grow = true;
                need_new = true;
            }
            direction = find_way(target_x,target_y,snake[0].node_x,snake[1].node_y);

            print_xy_t(snake[length - 1].node_x, snake[length - 1].node_y);
for(i = length - 1; i > 0;i--){
                snake[i].node_x = snake[i-1].node_x;
                snake[i].node_y = snake[i-1].node_y;
            }



switch (direction) {
case LEFT:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x - 1;
break;
case RIGHT:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x + 1;
break;
case FRONT:
                    snake[0].node_y = snake[0].node_y + 1;
break;
case BACK:
                    snake[0].node_y = snake[0].node_y - 1;
break;
default:
                    snake[0].node_x = snake[0].node_x - 1;
break;
            }
        }

//显示
sprintf((char*)lcd_buffer,"*");
        print_xy(snake[0].node_x, snake[0].node_y);
sprintf(s,"tail.x = %d tail.y = %d direction:%d",snake[length - 1].node_x, snake[length - 1].node_y,direction);
printf("%s",s);
sprintf(s,"head.x = %d head.y = %d",snake[0].node_x, snake[0].node_y);
printf("%s\n",s);
        OSTimeDly(10);
    }
}

void  Task1 (void *pdata){
    INT8U *err;
char s[40];

while(1){
if(need_new==true){
            target_x = rand()% 20 + 3;
            target_y = rand()% 15 + 2;
printf("target_x = %d target_y = %d",target_x, target_y);
            print_xy(target_x, target_y);
            need_new = false;
        }
        OSTimeDly(10);
    }
}

扩展：VGA模块的加入

VGA显存的设计可以看我的另一篇博客

同样是移植贪吃蛇，只需要更改printxy即可

void print_xy(int x, int y) {
int addr;
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(WREN_BASE, 0);
    addr = y * 64 + x;
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(WRITEADDR_BASE, addr);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(WRITEDATA_BASE, 0x7491);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(WREN_BASE, 1);
}

UCOSii项目在NIOSii上的移植

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系统初始化

贪吃蛇移植

扩展：VGA模块的加入

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