Nios V en la DE1-SoC (2/5): E/S mapeada en memoria con C

El procesador Nios V ve los periféricos de hardware como direcciones de memoria. En este laboratorio, el programa inicial usa estas direcciones:

- LEDR en 0xFF200000: registro de salida de los LED rojos.
- Registro de datos de JP1 en 0xFF200060: ruta de entrada de los interruptores lógicos de LabsLand.
- Registro de dirección de JP1 en 0xFF200064: registro de dirección del GPIO.
- JTAG UART en 0xFF201000: salida del terminal mediante printf.

La CPU lee y escribe estas direcciones como si fueran memoria normal, pero la lógica de la FPGA dirige cada acceso a un periférico en vez de a la RAM convencional. Eso es E/S mapeada en memoria.

Los controles del navegador se llaman NSW0..NSW9. En el flujo remoto actual no corresponden al puerto físico SW0..SW9 situado en 0xFF200040. Los controles NSW lógicos entran por los bits GPIO de JP1 y el programa inicial desplaza esos bits hacia abajo antes de escribir el registro de LED.

Como referencia, el manual FPGAcademy DE1-SoC Computer with Nios V documenta el diseño fijo del sistema Nios V y su mapa de periféricos mapeados en memoria. Esta actividad utiliza la ruta JP1 validada por LabsLand para los controles NSW del navegador, en lugar de pedirte que uses directamente el registro de interruptores físicos de FPGAcademy.

Posiciones de bits principales:

- NSW0 se lee como el bit 5 de los datos de JP1 y pasa a LEDR0.
- NSW1 se lee como el bit 6 de los datos de JP1 y pasa a LEDR1.
- NSW2 se lee como el bit 7 de los datos de JP1 y pasa a LEDR2.
- El mismo patrón continúa hasta NSW9, que se lee como el bit 14 de los datos de JP1 y pasa a LEDR9.

En este perfil del laboratorio, escribir 0 en el registro de dirección de JP1 configura como entradas las líneas de JP1 utilizadas por NSW0..NSW9. Por eso el programa ejecuta *JP1_DIR = 0; antes de leer el registro de datos de JP1.

El espacio de trabajo del IDE se conserva por cuenta. Antes de compilar, comprueba que main.c contiene el ejemplo inicial que asigna NSW0..NSW9 a LEDR0..LEDR9. Si conserva cambios anteriores, pide al docente que proporcione o restaure el programa inicial antes de continuar.

Usa la tabla para registrar tres pruebas rápidas del laboratorio. Completa una fila por patrón de interruptores: predice primero la salida LEDR, acciona después los controles NSW correspondientes y anota lo que observaste en la cámara en directo de la placa.

Mantén abierta la pestaña del IDE de C del laboratorio. Puedes responder esta sección a partir del fragmento siguiente, extraído del mismo archivo main.c que acabas de compilar y probar.

Las declaraciones y el bucle siguientes proceden de ese programa inicial.
LEDS es el puntero de C al registro de salida LEDR:

volatile int *LEDS = (int *) 0xFF200000;
volatile int *JP1 = (int *) 0xFF200060;
volatile int *JP1_DIR = (int *) 0xFF200064;

*JP1_DIR = 0;
while (1) {
    *LEDS = (*JP1 >> 5) & 0x3FF;
}

El desplazamiento mueve los bits de JP1 usados por NSW0..NSW9 de LabsLand a las posiciones 0 a 9. La máscara conserva únicamente esos diez bits antes de escribirlos en el registro de LED.

Por ejemplo, cuando solo está activado NSW0, el bit 5 de JP1 vale 1. Después de >> 5, ese valor pasa al bit 0 y se enciende LEDR0. El calificador volatile debe aplicarse al dato apuntado: el registro leído mediante JP1 puede cambiar por efecto del hardware y no de una asignación de C. Sin volatile, una optimización del compilador podría reutilizar un valor anterior o eliminar un acceso repetido al registro que parecería redundante en memoria normal.

Vuelve a usar la pestaña de Nios V C IDE for DE1-SoC del laboratorio. Cambia el programa para que los LED muestren una transformación del patrón de interruptores y haz clic en Build ELF. Si la sesión con la placa sigue abierta, puedes reutilizarla; si ha caducado, Enviar a la FPGA iniciará una sesión nueva. Haz clic en Enviar a la FPGA y prueba el comportamiento transformado en la placa.

Elige una transformación:

- Invertir los diez bits de los interruptores antes de escribirlos en los LED.
- Mostrar solo los cinco controles NSW inferiores en LEDR0..LEDR4.
- Desplazar el patrón NSW una posición de LED a la izquierda y explicar qué ocurre con NSW9.