Nios V en la DE1-SoC (4/5): visualizador HEX y temporizador

En las lecciones anteriores usaste E/S mapeada en memoria para controles sencillos: entradas NSW del navegador, datos GPIO de JP1 y salidas LEDR. Esta lección aplica la misma idea a dos periféricos más completos ya incluidos en el sistema FPGA fijo.

Un periférico es un bloque de hardware que el procesador Nios V controla mediante lecturas y escrituras en una dirección concreta. No modificarás el diseño de la FPGA. Sustituirás main.c por pequeños ejemplos en C, compilarás un ELF, lo cargarás y comprobarás si el comportamiento de la placa coincide con la explicación de los registros.

Los dos ejemplos obligatorios son:

- hex_counter, que escribe patrones codificados en HEX0.
- timer_blink, que configura el temporizador de intervalo y conmuta LEDR0.

Para consultar el mapa completo de registros, usa el manual de usuario FPGAcademy DE1-SoC Computer with Nios V. Esta actividad proporciona el subconjunto necesario: HEX3_HEX0 en 0xFF200020 y el temporizador de intervalo en 0xFF202000.

El navegador muestra controles de botón lógicos específicos de Nios llamados NB0..NB3. Son entradas JP1/GPIO validadas, no el registro KEY de FPGAcademy en 0xFF200050.

Para el trabajo obligatorio, usa los ejemplos de HEX y temporizador que aparecen a continuación. La sección opcional de botones es autosuficiente si se asigna: utiliza NB0..NB3 como entradas lógicas de JP1 y evita la nomenclatura KEY0..KEY3.

Los visualizadores HEX son de siete segmentos. Un dígito no se escribe como el número 3, sino como un patrón de bits que enciende o apaga cada segmento.

El ejemplo hex_counter escribe patrones de segmentos en HEX3_HEX0, situado en 0xFF200020.

Cada byte de HEX3_HEX0 controla un visualizador. Este programa solo usa el byte inferior, por lo que únicamente cambia HEX0. Un valor como 0x3F no es el número cero en el sentido habitual: es el patrón que enciende los segmentos necesarios para dibujar 0.

Ejemplos:

- El dígito 0 usa el patrón 0x3F.
- El dígito 1 usa el patrón 0x06.
- El dígito A usa el patrón 0x77.

Usa este código para hex_counter:

Selecciona el bloque completo antes de copiarlo en main.c; debes sustituir todo el código inicial.

/* DE1-SoC Computer with Nios V -- E/S mapeada en memoria */
volatile int *HEX3_HEX0 = (int *) 0xFF200020;  /* 7 segmentos: HEX3..HEX0 */

static const unsigned char HEX_CODE[16] = {
    0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F,
    0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,
    0x7F, 0x67, 0x77, 0x7C,
    0x39, 0x5E, 0x79, 0x71
};

static void delay(void)
{
    volatile int i;
    for (i = 0; i < 2000000; i++) {
    }
}

int main(void)
{
    int count = 0;

    while (1) {
        *HEX3_HEX0 = HEX_CODE[count & 0xF];
        count++;
        delay();
    }
    return 0;
}

Usa la tabla para registrar lo observado después de cargar hex_counter. El comportamiento esperado ya está incluido. Añade dos dígitos o patrones distintos vistos en HEX0 y selecciona correcto, fallo o no concluyente como resultado.

El ejemplo timer_blink programa el temporizador de intervalo de la FPGA con dirección base 0xFF202000. Establece un periodo, inicia el temporizador, sondea el bit de fin de periodo, lo borra y conmuta LEDR0.

El reloj del temporizador es de 100 MHz, por lo que 50.000.000 de ciclos equivalen aproximadamente a medio segundo. El periodo de 32 bits se divide en dos registros de 16 bits porque la interfaz del temporizador almacena por separado las mitades inferior y superior.

Registros del temporizador utilizados:

- STATUS en el desplazamiento +0x0: el bit 0, TO, pasa a 1 cuando termina el periodo.
- CONTROL en el desplazamiento +0x4: STOP, START y CONT controlan si el temporizador funciona de forma continua.
- PERIOD_LO en el desplazamiento +0x8: 16 bits inferiores del periodo.
- PERIOD_HI en el desplazamiento +0xC: 16 bits superiores del periodo.

Usa este código para timer_blink:

Selecciona el bloque completo antes de copiarlo en main.c; debes sustituir todo el código anterior.

/* DE1-SoC Computer with Nios V -- E/S mapeada en memoria */
volatile int *LEDS = (int *) 0xFF200000;  /* LEDs rojos */

#define TIMER_BASE      0xFF202000
#define TIMER_STATUS    (*(volatile short *)(TIMER_BASE + 0x0))
#define TIMER_CONTROL   (*(volatile short *)(TIMER_BASE + 0x4))
#define TIMER_PERIOD_LO (*(volatile short *)(TIMER_BASE + 0x8))
#define TIMER_PERIOD_HI (*(volatile short *)(TIMER_BASE + 0xC))

#define TIMER_TO        0x1
#define TIMER_CONT      0x2
#define TIMER_START     0x4
#define TIMER_STOP      0x8

int main(void)
{
    const unsigned int half_second = 50000000u;  /* reloj del temporizador a 100 MHz */
    int led = 0;

    TIMER_CONTROL = TIMER_STOP;
    TIMER_PERIOD_LO = (short)(half_second & 0xFFFFu);
    TIMER_PERIOD_HI = (short)((half_second >> 16) & 0xFFFFu);
    TIMER_STATUS = 0;  /* borrar TO */
    TIMER_CONTROL = TIMER_CONT | TIMER_START;

    while (1) {
        if ((TIMER_STATUS & TIMER_TO) != 0) {
            TIMER_STATUS = 0;  /* borrar TO */
            led ^= 1;
            *LEDS = led;
        }
    }
    return 0;
}

Usa la tabla para registrar el parpadeo controlado por el temporizador. Conserva la ventana de 10 segundos salvo que el docente pida una prueba más larga. En la columna de evidencia, escribe qué cambió —por ejemplo, apagado -> encendido -> apagado—, valora si la temporización parece lo bastante estable para el uso previsto y selecciona después correcto, fallo o no concluyente.

Elige uno de los ejemplos validados y realiza un cambio pequeño y observable.

Ejemplos:

- En hex_counter, cambia la secuencia para que cuente solo valores hexadecimales pares.
- En hex_counter, controla dos dígitos HEX en vez de solo HEX0.
- En timer_blink, cambia el periodo para que LEDR0 parpadee más deprisa o más despacio.
- En timer_blink, haz conmutar otro bit de LEDR.
- Trabajo opcional con botones: lee los bits 0 a 3 de JP1 desde NB0..NB3 y muéstralos en LEDR0..LEDR3.

Los botones lógicos remotos NB0..NB3 están validados mediante los bits 0 a 3 del registro de datos de JP1. Son útiles para un ejercicio rápido de sondeo, pero no son el puerto KEY de FPGAcademy ni acceden a su registro de datos mediante los controles actuales del navegador.

Patrón mínimo en C:

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

int main(void)
{
    *JP1_DIR = 0;
    while (1) {
        *LEDS = (*JP1) & 0xF;   // NB0..NB3 -> LEDR0..LEDR3
    }
    return 0;
}

El proyecto final debe usar NSW0..NSW9 y LEDR0..LEDR9, además de al menos un periférico de extensión validado en esta lección.