基于FPGA的片上可編程系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計(jì)之：Altera公司的NIOS II解決方案

8.2  Altera公司的NIOS II解決方案

8.2.1  NIOS的主要特點(diǎn)

NIOS II是一個(gè)用戶(hù)可配置的通用RISC嵌入式處理器。Altera推出的NIOS II系列嵌入式處理器擴(kuò)展了目前世界上最流行的軟核嵌入式處理器的性能。

把NIOS II嵌入到Altera的FPGA，如StratixII、Stratix、Cyclone II、Cyclone、APEX、ACEX和HardCopy系列器件中，用戶(hù)可以獲得超過(guò)200 DMIPS的性能，可以從3種處理器以及超過(guò)60個(gè)的IP核中選擇所需要的功能。

使用NIOS II處理器的用戶(hù)可以根據(jù)他們的需要來(lái)調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的特性、性能以及成本，快速使得產(chǎn)品推向市場(chǎng)，擴(kuò)展產(chǎn)品的生命周期，并且避免處理器的更新?lián)Q代。

下面是NIOS II處理器的優(yōu)點(diǎn)和特性。

（1）提高系統(tǒng)性能。

·  一系列的處理器核可供選擇，其中包括了超過(guò)200 DMIPS性能的核。

·  實(shí)現(xiàn)任何數(shù)量的處理器或?qū)⒉煌奶幚砥骱私M合在一起。

·  增加了已有的處理器，在FPGA中添加一個(gè)或更多的NIOS II軟核處理器。

（2）更低的系統(tǒng)成本。

·  通過(guò)將處理器、外設(shè)、存儲(chǔ)器和I/O接口集成到一個(gè)單一的FPGA中，從而降低了系統(tǒng)成本、復(fù)雜性和功耗。

·  通過(guò)將NIOS II處理器嵌入到低成本的FPGA中只需花費(fèi)35美分或者更低（對(duì)大多數(shù)用戶(hù)而言，NIOS II所占邏輯資源的成本大約是10～20元人民幣，具體取決于所選FPGA的類(lèi)型和NIOS II的配置）。

（3）應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的生命周期。

·  提供易用的設(shè)計(jì)工具從而快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

·  提供永久、免費(fèi)的許可，從而使基于NIOS II處理器的產(chǎn)品避免了處理器的更新?lián)Q代而帶來(lái)的損失。

（4）功能強(qiáng)大、易用的開(kāi)發(fā)工具。

·  通過(guò)使用NIOS II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），從而加速了軟件的開(kāi)發(fā)。

·  利用Altera的強(qiáng)大的SOPC Builder系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和Quartus II設(shè)計(jì)軟件可以在幾分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)。

（5）使用完全功能的開(kāi)發(fā)包。

·  使用易用的NIOS II開(kāi)發(fā)包開(kāi)始一個(gè)設(shè)計(jì)。

·  使用易用的NIOS II開(kāi)發(fā)包開(kāi)始設(shè)計(jì)。

·  可以選擇具有低成本特性的Cyclone FPGA開(kāi)發(fā)套件，或高性能的StratixII FPGA開(kāi)發(fā)套件。

在很多對(duì)速度的要求不是很高的低端應(yīng)用中，Altera將一個(gè)軟核放入PLD，這個(gè)軟核就是NIOS。它只占芯片內(nèi)部很少的一部分邏輯單元，成本很低。同ASIC相比較，如果將處理器放到ASIC中，生產(chǎn)的每片芯片都要付給處理器廠(chǎng)商專(zhuān)利費(fèi)。況且ASIC的NRE（一次性投資）大，風(fēng)險(xiǎn)也大，NIOS則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。NIOS的開(kāi)發(fā)工具包價(jià)格很低。

在速度要求高的高端應(yīng)用，如通信領(lǐng)域，軟核的處理速度不夠。Altera就將硬核（ARM9）集成到APEX器件中，還集成入RAM和RAM控制器。同時(shí)Altera本身在PLD的結(jié)構(gòu)方面也不斷發(fā)展和創(chuàng)新，推出的HardCopy StratixIII器件系列，是一個(gè)針對(duì)大容量設(shè)計(jì)的，從原型設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的完整解決方案，試圖成為ASIC的全面替代方案。

8.2.2  NIOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

1．設(shè)計(jì)工具

Altera的Max+Plus II曾是應(yīng)用廣泛、非常受歡迎的PLD（可編程邏輯器件）設(shè)計(jì)軟件。它對(duì)于FPGA和CPLD這些PLD器件的應(yīng)用推廣、電路部件和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及高校有關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)習(xí)，做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

近年來(lái)，為適應(yīng)微電子技術(shù)及其應(yīng)用的飛速發(fā)展，尤其是SoC（片上系統(tǒng)）技術(shù)發(fā)展的需要，Altera推出了新版本的PLD設(shè)計(jì)軟件Quartus II。它繼承了Max+Plus II的所有優(yōu)點(diǎn)，是更加完善的PLD設(shè)計(jì)工具。

PLD的設(shè)計(jì)工具主要包括：不同的設(shè)計(jì)輸入（包括原理圖，VHDL或Verilog-HDL）工具、綜合仿真工具、時(shí)限分析工具、功率評(píng)估工具、PLD布局布線(xiàn)工具和產(chǎn)品驗(yàn)證工具等。

Altera的SOPC開(kāi)發(fā)工具SOPC Builder，將軟硬件的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，提供給客戶(hù)一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念。

2．SOPC Builder

SOPC Builder是一個(gè)軟件工具，它屬于一種基于IP或者平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。利用SOPC Builder，用戶(hù)可以很方便地將處理器、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)模塊連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

SOPC Builder中已包含了NIOS處理器以及其他一些常用的外設(shè)IP模塊。用戶(hù)也可以設(shè)計(jì)自己的外設(shè)IP。從用戶(hù)的角度來(lái)看，SOPC Builder是一個(gè)能夠生成復(fù)雜硬件系統(tǒng)的工具。但從內(nèi)部來(lái)看，SOPC Builder包含兩個(gè)主要部分：一個(gè)圖形用戶(hù)界面（GUI）以及一個(gè)系統(tǒng)生成程序。

（1）SOPC Builder圖形用戶(hù)界面。

SOPC Builder圖形用戶(hù)界面提供管理IP模塊、配置系統(tǒng)和報(bào)告錯(cuò)誤等功能。用戶(hù)通過(guò)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)系統(tǒng)。完成設(shè)計(jì)之后，單擊“Generate”按鈕，則啟動(dòng)系統(tǒng)生成程序。系統(tǒng)生成程序通常從圖形用戶(hù)界面中啟動(dòng)。

（2）系統(tǒng)生成程序。

系統(tǒng)生成程序執(zhí)行大量的功能，創(chuàng)建幾乎所有的SOPC Builder輸出文件（HDL邏輯文件，C程序的頭文件和庫(kù)文件，模擬文件等）。所以，SOPC Builder可看作是一個(gè)以IP模塊為輸入，集成的系統(tǒng)為輸出的工具。

SOPC Builder會(huì)提示用戶(hù)設(shè)置參數(shù)，并提示使用哪些可選的端口和外設(shè)。一旦向?qū)闪薔IOS系統(tǒng)模塊，則可以在設(shè)計(jì)文件中生成實(shí)例。一些常規(guī)硬軟件接口、中斷子程序等，都可被SOPC Builder完成，節(jié)約用戶(hù)很多時(shí)間，而且更可靠。

3．NIOS II指令結(jié)構(gòu)

NIOS II CPU是一種采用流水線(xiàn)技術(shù)、單指令流的RISC處理器，其大部分指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。NIOS II處理器又是一種軟核CPU，專(zhuān)門(mén)針對(duì)Altera的可編程邏輯器件以及片上可編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，做了相應(yīng)優(yōu)化。

作為一種可配置的通用RISC處理器，它可以與用戶(hù)自定義邏輯（user logic）結(jié)合構(gòu)成SoC系統(tǒng)，并下載到Altera的可編程器件中去。32位NIOS軟核，結(jié)合外部閃存以及大容量存儲(chǔ)器，可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)

在A(yíng)ltera的NIOS II嵌入式處理器中，用戶(hù)可以在NIOS II指令系統(tǒng)中增加用戶(hù)自定義指令，以增強(qiáng)其對(duì)強(qiáng)實(shí)時(shí)軟件算法的處理能力。用戶(hù)自定義指令可以通過(guò)單周期或多周期操作來(lái)完成復(fù)雜的處理任務(wù)。

另外，增加的用戶(hù)自定義指令同樣可以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器或NIOS系統(tǒng)外的邏輯。采用用戶(hù)自定義指令，用戶(hù)可以把一個(gè)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列，簡(jiǎn)化為一條用硬件實(shí)現(xiàn)的單個(gè)指令。這一特性可以用于多種情況，例如對(duì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、數(shù)據(jù)包處理以及計(jì)算密集型軟件進(jìn)行優(yōu)化。

4．Avalon總線(xiàn)

Avalon總線(xiàn)是一種將片上處理器和外設(shè)連接成片上可編程系統(tǒng)（SOPC）的一種簡(jiǎn)單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。它描述了主從構(gòu)件間的端口連接關(guān)系，以及構(gòu)件間通信的時(shí)序關(guān)系。Avalon總線(xiàn)規(guī)范提供了各種選項(xiàng)，來(lái)剪裁總線(xiàn)信號(hào)和時(shí)序，以滿(mǎn)足不同類(lèi)型外設(shè)的需要。

SOPC Builder能夠自動(dòng)產(chǎn)生Avalon總線(xiàn)。Avalon總線(xiàn)也包括許多特性和約定，用以支持SOPC Builder軟件自動(dòng)生成系統(tǒng)、總線(xiàn)和外設(shè)。片上可編程系統(tǒng)（SOPC）的設(shè)計(jì)人員在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)，還有其他輔助工具，例如：ModelSim模擬器，以及其他監(jiān)控、調(diào)試工具等。