基于FPGA的嵌入式

基于FPGA的

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展1.2嵌入式系統(tǒng)的概念1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)的全面發(fā)展是從20世紀90年代開始的，主要受到了分布式控制、數(shù)字化通信、信息家電、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等強烈的應(yīng)用需求所牽引?，F(xiàn)在，人們可以隨處發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，如手機、MP3播放器、數(shù)碼相機、VCD、機頂盒、路由器、交換機等。嵌入式系統(tǒng)在軟、硬件技術(shù)方面迅速發(fā)展，首先是面向不同應(yīng)用領(lǐng)域、功能更加強大、集成度更高、種類繁多、價格低廉、低功耗的32位微處理器逐漸占領(lǐng)統(tǒng)治地位，DSP器件向高速、高精度、低功耗發(fā)展，而且可以和其他的嵌入式微處理器相集成。

其次，隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也成指數(shù)型增長，所體現(xiàn)出的嵌入式應(yīng)用具備了更加復(fù)雜和高度智能的功能，軟件在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來的重要程度越來越大，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式軟件中的使用越來越多，所占的比例逐漸提高，同時，嵌入式操作系統(tǒng)的功能不斷豐富，在內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展成為包括圖形接口、文件、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式Java、嵌入式CORBA、分布式處理等完備功能的集合；最后，嵌入式開發(fā)工具更加豐富，已經(jīng)覆蓋了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的各個階段，現(xiàn)在主要向著集成開發(fā)環(huán)境和友好人機界面等方向發(fā)展。

1.2嵌入式系統(tǒng)的概念

1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式計算系統(tǒng)，簡稱為嵌入式系統(tǒng)。那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？在WayneWolf著的一本有關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的教科書《嵌入式計算系統(tǒng)設(shè)計原理》里這樣定義：“不嚴格地說：它是任意包含一個可編程計算機的設(shè)備，但是這個設(shè)備不是作為通用計算機而設(shè)計的。因此，一臺個人電腦并不能稱之為嵌入式計算系統(tǒng)，盡管個人電腦經(jīng)常被用于搭建嵌入式計算系統(tǒng)?！?/p>

IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義是：“Deviceusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”。微機學(xué)會的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計算機系統(tǒng)”，并分為系統(tǒng)級、板級、片級，系統(tǒng)級包括各類工控器、PC104模塊等；板級包括各類帶CPU的主板和OEM產(chǎn)品；片級包括各種以單片機、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。”

1.2.2幾個相關(guān)基本概念（1）嵌入式系統(tǒng)—EmbeddedSystem通俗的說，嵌入式系統(tǒng)就是內(nèi)嵌到對象體系中的微型專用計算機。它具有比通用計算機更簡潔、更個性化的功能，可運行操作系統(tǒng)，又兼有單片機體積小、低功耗等特點，是當(dāng)前最熱門的概念和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，有硬核和軟核之分。

由于嵌入式系統(tǒng)的概念從外延上很難統(tǒng)一，其應(yīng)用形式多種多樣，因此定義嵌入式系統(tǒng)非常困難。不過，通過對上述定義分析后不難發(fā)現(xiàn)，從嵌入式系統(tǒng)概念的內(nèi)涵上講，它的共性是一種軟、硬件緊密結(jié)合的專用計算機系統(tǒng)。通常我們所說的嵌入式系統(tǒng)，硬件以嵌入式微處理器為核心，集成存儲系統(tǒng)和各種專用輸入/輸出設(shè)備；軟件包含系統(tǒng)啟動程序、驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等，這些軟件有機結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)特定的一體化軟件。這種專用計算機系統(tǒng)必然在可靠性、實時性、功耗、可裁減等方面具有一系列特點。如果我們關(guān)注一下嵌入式系統(tǒng)的特性，也許能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)的概念獲得更深入的理解。

（2）片上系統(tǒng)SOC—SystemOnChip片上系統(tǒng)又稱為集成電路（IntegratedSystem），簡稱IS。有人認為，IS與IC的關(guān)系和當(dāng)時的集成電路與分離元件的關(guān)系類似。IS或SOC是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。它一般將一個完整產(chǎn)品的各功能集成在一個芯片上或芯片組上。（3）可編程片上系統(tǒng)SOPC—SystemOnProgrammableChipSOC是專業(yè)集成系統(tǒng)，設(shè)計周期長，設(shè)計成本高；而SOPC是一種通用器件，是基于FPGA的可重構(gòu)SOC，其設(shè)計周期短，設(shè)計成本低。SOPC集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯，是更加靈活、高效的SOC解決方案。（4）集成電路IP（知識產(chǎn)權(quán)）—IntellectualPropertyIP是知識產(chǎn)權(quán)的簡稱。集成電路IP的定義是：經(jīng)過預(yù)先設(shè)計、預(yù)先驗證，符合產(chǎn)業(yè)界普遍認同的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，具有相對獨立功能的電路模塊或子系統(tǒng)，可以復(fù)用于SOC、SOPC或復(fù)雜ASIC設(shè)計中。這種IP庫與傳統(tǒng)的單元庫不同，它的知識含量更高，規(guī)模更大，可重用性好，被公認為是芯片面積小、運行速度快、功耗低、工藝容差大的設(shè)計。在工業(yè)界，IP又稱為SIP（SiliconIP）或虛擬單元VC（VirtualComponent）。第2章

SOPCBuilder開發(fā)工具

2.1簡介2.2SOPCBuilder設(shè)計流程2.3SOPCBuilder用戶界面

2.1簡介2.1.1SOPC技術(shù)簡介 SOPC(SystemOnaProgrammableChip)是指用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上。它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。一方面，它是片上系統(tǒng)(SOC)，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；另一方面，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、擴充、升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。這項技術(shù)將EDA、計算機設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、DSP及數(shù)字通信系統(tǒng)等技術(shù)融為一體。

SOC技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)主流，在SOPC出現(xiàn)之前，業(yè)界廣泛采用ASIC技術(shù)實現(xiàn)SOC。ASIC和FPGA不同的技術(shù)特征造就了他們應(yīng)用于不同的市場。ALTERA公司于2000年提出了SOPC概念，在可編程邏輯器件上實現(xiàn)SOC技術(shù)，同時推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件QuartusⅡ。SOPC結(jié)合了SOC和可編程邏輯器件各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征:（1）至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核（2）具有小容量片內(nèi)高速RAM資源（3）豐富的IPCore資源可供選擇（4）足夠的片上可編程邏輯資源（5）處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口（6）包含部分可編程模擬電路（7）單芯片、低功耗、小封裝

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模可編程器件性能的不斷提高，SOPC技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。首先，SOPC在極大提高了許多電子系統(tǒng)性能價格比的同時，還開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，如高端的數(shù)字信號處理、通信系統(tǒng)、軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)計、微處理器及大型計算機處理器的設(shè)計等等；同時，由于SOPC具有基于EDA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計語言與系統(tǒng)測試手段、規(guī)范的設(shè)計流程與多層次的仿真功能以及高效率的軟硬件開發(fā)與實現(xiàn)技術(shù)，使得SOPC及其實現(xiàn)技術(shù)無可爭議地成為現(xiàn)代電子技術(shù)最具時代特征的典型代表。與基于ASIC的SOC相比，SOPC具有更多的特點與吸引力：開發(fā)軟件成本低，硬件實現(xiàn)風(fēng)險低，產(chǎn)品上市效率高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可重構(gòu)及硬件可升級等，它還具有設(shè)計者易學(xué)易用、高附加值、產(chǎn)品設(shè)計成本低等優(yōu)勢。

2.1.2SOPCBuilder簡介

SOPCBuilder是Altera公司推出的一種可加快在PLD內(nèi)實現(xiàn)嵌入式處理器相關(guān)設(shè)計的工具。它是一個革命性的系統(tǒng)級開發(fā)工具，其功能與PC應(yīng)用程序中的“引導(dǎo)模板”類似，旨在提高設(shè)計者的效率。設(shè)計者可確定所需要的處理器模塊和參數(shù)，并據(jù)此創(chuàng)建一個處理器的完整存儲器映射。設(shè)計者還可以選擇所需的IP外圍電路，如存儲器控制器、I/O控制器和定時器等模塊。

SOPC

Builder可以快速地開發(fā)定制新方案，重建已經(jīng)存在的方案，并為其添加新的功能，提高系統(tǒng)的性能。通過自動集成系統(tǒng)組件，SOPCBuilder允許用戶將工作的重點集中到系統(tǒng)級的需求上，而不是從事把一系列的組件裝配在一起這種普通的、手工的工作。所有版本的AlteraQuartus?Ⅱ的設(shè)計軟件都已經(jīng)包含了SOPCBuilder。設(shè)計者采用SOPCBuilder，能夠在一個工具內(nèi)定義一個從硬件到軟件的完整系統(tǒng)，而花費的時間僅僅是傳統(tǒng)SOC設(shè)計的幾分之一。

SOPC

Builder提供了一個強大的平臺，用于組建一個在模塊級和組件級定義的系統(tǒng)。SOPC

Builder的組件庫包含了從簡單的固定邏輯的功能塊到復(fù)雜的、參數(shù)化的、可以動態(tài)生成的子系統(tǒng)等一系列的組件。這些組件可以是從Altera或其他合作伙伴處購買來的IP核，其中一些IP核是可以免費下載用來做評估的；用戶還可簡單地創(chuàng)建他們自己定制的SOPCBuilder組件。SOPCBuilder內(nèi)建的IP核庫是OpenCorePlus版的業(yè)界領(lǐng)先的Nios/Nios?Ⅱ嵌入式軟核處理器。所有的Quartus?Ⅱ用戶都能夠把一個基于Nios/Nios?Ⅱ處理器的系統(tǒng)經(jīng)過生成、仿真和編譯進而下載到AlteraFPGA中，進行實時評估和驗證。

SOPCBuilder庫中已有的組件包括：(1)處理器：包括片內(nèi)處理器和片外處理器的接口。(2)?IP及外設(shè)：包括通用的微控制器外設(shè)，通信外設(shè)，多種接口(存儲器接口、橋接口、ASSP、ASIC)，數(shù)字信號處理(DSP)IP和硬件加速外設(shè)。2.1.3SOPCBuilder的功能特點1.具有直觀的圖形用戶界面(GUI) 利用圖形用戶界面，用戶可以快速方便地定義和連接復(fù)雜的系統(tǒng)。如圖2.1所示，用戶可從左邊的庫中添加所需的部件，然后在右邊的表中配置它們。2.開放性 SOPCBuilder開放了硬件和軟件接口，允許第三方像Altera一樣有效地管理SOPC部件，用戶可以根據(jù)需要將自己設(shè)計的部件添加到SOPCBuilder的列表中。圖2.1SOPCBuilder的圖形用戶界面3.自動生成和集成軟件與硬件

SOPCBuilder會生成每個硬件部件以及連接部件的片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)，仲裁和中斷邏輯。它也會產(chǎn)生系統(tǒng)可仿真的RTL描述以及為特定硬件配置設(shè)計的測試平臺，能夠把硬件系統(tǒng)綜合到單個網(wǎng)表中。

另外，SOPCBuilder還能夠生成C和匯編頭文件，這些頭文件定義了存儲器映射、中斷優(yōu)先級和每個外設(shè)寄存器空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣的自動生成過程可以幫助軟件設(shè)計者處理硬件潛在的變化性。如果硬件改變了，SOPCBuilder會自動更新這些頭文件。SOPCBuilder也會為系統(tǒng)中現(xiàn)有的每個外設(shè)生成定制的C和匯編函數(shù)庫。例如，如果系統(tǒng)包括一個UART，SOPCBuilder就會訪問UART的寄存器并定義一個C結(jié)構(gòu)，生成通過UART發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的C和匯編例程。2.2SOPCBuilder設(shè)計流程

如圖2.2所示，SOPCBuilder的設(shè)計流程包括兩個階段：配置(框圖左邊所示)和生成(框圖右邊所示)。它是利用ClassPTF和SystemPTF這兩個文件來配置和生成系統(tǒng)流程的。

SOPCBuilderGUI引導(dǎo)用戶完成兩部分的配置：部件配置和系統(tǒng)配置。部件配置需要匯總參數(shù)，ClassPTF文件標(biāo)準(zhǔn)包括了為這一要求定義GUI的格式。當(dāng)需要時，SOPCBuilder讀取該格式，產(chǎn)生相應(yīng)的部件向?qū)?ComponentWizard)，收集所需的用戶數(shù)據(jù)。然后SOPCBuilder把收集的參數(shù)值存放在SystemPTF文件中。系統(tǒng)配置是指把用戶提供的有關(guān)處理器的配置、外設(shè)連接等數(shù)據(jù)寫入SystemPTF中。 當(dāng)這兩部分配置都完成后，SOPCBuilder進入到生成階段，生成設(shè)計的輸出文件。SOPCBuilder查閱每個ClassPTF文件，允許相關(guān)的部件生成程序，它們會正確地輸出特定系統(tǒng)配置的硬件和/或軟件文件。 簡單的部件生成程序可能每次都會輸出相同的文件，更多的可配置部件則會根據(jù)用戶輸入生成完全不同的結(jié)構(gòu)。例如，Nios處理器中包括的UART可以配置為軟件控制波特率，以更多門換取更大的靈活性。這種配置選項由用戶在部件配置階段進行設(shè)置，根據(jù)這個設(shè)計，UART生成程序產(chǎn)生所需UART的硬件描述。在生成階段的最后一步，SOPCBuilder創(chuàng)建適合于系統(tǒng)部件的總線結(jié)構(gòu)，把所有的部件連接在一起。圖2.2系統(tǒng)生成流程2.3SOPCBuilder用戶界面 2.3.1系統(tǒng)元件頁 用戶在系統(tǒng)元件頁中定義所需的系統(tǒng)(如圖2.3所示)。在它的模塊池中包括了用戶可獲得的所有元件列表。在模塊表中列出的是用戶已經(jīng)添加到系統(tǒng)中的模塊。當(dāng)用戶用SOPCBuilder生成系統(tǒng)時，它就生成了一個系統(tǒng)模塊，這個模塊包含了用戶所定義的所有元件和接口以及自動生成的總線(互聯(lián))邏輯。圖2.3系統(tǒng)元件頁1．模塊池在模塊池中列出了根據(jù)總線類型和邏輯類別來分類的所有可用的庫元件。每個元件名前面都有一個帶顏色的圓點，不同的顏色代表不同的含義。(1)綠圓點：用戶可以添加到用戶系統(tǒng)中的元件是完全許可的。(2)黃圓點：元件在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用受到某種形式的限制，主要限制有使用時間有所限制和功能有所減少。(3)白圓點：元件目前還沒有安裝到用戶的系統(tǒng)上，用戶可以從網(wǎng)上下載這些元件。用戶可以使用模塊池選擇器來列出可用的元件，安裝元件，從網(wǎng)上獲取元件以及通過網(wǎng)絡(luò)升級元件。如果用戶有Internet鏈接，就可以查看來自Altera和AMPPsm最新的可用元件。要查看新元件，可點擊Check按鈕，最新的可獲得的元件就會顯示在升級頁中；接著點擊元件名和Add就可以將元件下載到本地。用右鍵點擊元件就可以看到一個菜單，它包括了元件的詳細信息，并且可以鏈接到相關(guān)的文件并升級元件。如果右鍵點擊的已安裝的元件是可以獲得升級的，在彈出的菜單中就包含一個子菜單(以元件的版本號作標(biāo)題)，點擊這個菜單就可以對元件進行升級。2．模塊表模塊表中列出的是用戶添加到用戶所設(shè)計的系統(tǒng)中的模塊，包括橋、總線接口、CPU、存儲器接口、外圍設(shè)備等。此外，用戶可以用模塊表來描述以下一些項目：

連接的主、從性；·

系統(tǒng)地址映射；

系統(tǒng)中斷請求分配；控制共享從元件的優(yōu)先權(quán)。3．添加元件到模塊表在模塊池中點擊要添加的元件名，然后點擊Add，會出現(xiàn)以下兩種情況中的一種：(1)對于可用的、已安裝上的并有設(shè)置向?qū)У脑?，會出現(xiàn)一個對話框，讓用戶設(shè)定各種選項，設(shè)定完選項后再點擊Finish,就可將元件添加到模塊表中。如果元件沒有選項對話框，它會被自動加到模塊表中。(2)對于可用的但沒有安裝的元件，也會出現(xiàn)一個對話框，通過該對話框可鏈接到網(wǎng)上下載元件或從廠商處獲取元件。安裝元件后，用戶就可以將它添加到用戶所設(shè)計的系統(tǒng)中了。如果點擊View菜單并選中ShowMasterConnections選項，則在模塊表的左邊就會出現(xiàn)主、從元件的互聯(lián)示意圖。任何一個元件都可以有一個或多個主或從的接口。如果主元件和從元件使用同一個總線協(xié)議，則任何一個主元件都可以和任何一個從元件相連。如果使用的是不同的總線協(xié)議，則用戶可以通過使用一個橋元件來把主、從元件連接起來，比如可使用AMBA-AHB-to-Avalon橋。當(dāng)兩個或多個主元件共享同一個從元件時，SOPCBuilder會自動插入一個判優(yōu)器來控制對從元件的訪問。當(dāng)對一個從元件有多個請求同時發(fā)生時，判優(yōu)器可以決定由哪個主元件來訪問這個從元件。要查看仲裁優(yōu)先權(quán)，可在View菜單里選中ShowArbitrationPriorities選項。4．附加設(shè)置系統(tǒng)元件頁還包括以下一些附加選項：(1)器件系列(DeviceFamily)：由用戶從器件列表中選擇用戶的目標(biāo)器件。這項設(shè)置非常重要，因為SOPCBuilder是利用所選器件系列的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來產(chǎn)生系統(tǒng)的邏輯的。注意：Quartus?Ⅱ軟件不使用這個器件設(shè)置，用戶還必須在Quartus?Ⅱ軟件中確定器件。(2)系統(tǒng)時鐘頻率(SystemClockFrequency)：外圍設(shè)備利用系統(tǒng)時鐘來產(chǎn)生時鐘分頻或波特率等。SOPCBuilder的built-intestbench發(fā)生器還利用這項設(shè)置來產(chǎn)生用戶所要求的頻率。2.3.2系統(tǒng)設(shè)置頁當(dāng)用戶向所設(shè)計的系統(tǒng)中添加元件時，比如一個Nios嵌入式處理器，在SOPCBuilder中就會出現(xiàn)一個系統(tǒng)設(shè)置(More“CPU”Setting)的附加頁。這個附加頁可以讓用戶用來設(shè)置一些附加的參數(shù)或者與系統(tǒng)中其他元件的相連關(guān)系。比如，用戶可以定義CPU和存儲器元件之間的相連關(guān)系來指明哪一個是用來作程序存儲器的，哪一個是用來作數(shù)據(jù)存儲器的。對于用到系統(tǒng)設(shè)置頁的元件，SOPCBuilder會對用戶添加到用戶系統(tǒng)中的這個元件的每種情況都生成一個單獨的系統(tǒng)設(shè)置頁。2.3.3系統(tǒng)生成頁系統(tǒng)生成頁是用來生成用戶系統(tǒng)的。它包含一些選項，用戶可以通過設(shè)置來控制生成過程，比如器件支持和仿真控制。在系統(tǒng)生成過程中，這一頁會報告系統(tǒng)生成過程中的各種消息。圖2.4所示即為系統(tǒng)生成頁。圖2.4系統(tǒng)生成頁1．SDK(SoftwareDevelopmentKid，軟件開發(fā)工具包) 用戶選擇了SDK選項，SOPCBuilder會在用戶每一次生成系統(tǒng)的時候給用戶系統(tǒng)中的每個CPU都生成一個專用的SDK。其中包含了對每個系統(tǒng)元件的各種軟件文件(驅(qū)動、庫和實用程序)，這些文件在它們的庫定義中給系統(tǒng)元件提供了軟件支持。

注意：SDK只在Nios處理器系統(tǒng)中產(chǎn)生，若使用Nios?Ⅱ處理器，則在生成選項中沒有這一項。2．HDL當(dāng)用戶選擇了HDL選項時，SOPCBuilder就會以VerilogHDL或VHDL語言的形式生成系統(tǒng)級的硬件描述語言(HDL)文件。使用VerilogHDL還是VHDL，由用戶在SOPCBuilder里建立系統(tǒng)時指定。3．仿真如果選擇了Simulation選項，在系統(tǒng)生成過程中，SOPCBuilder會創(chuàng)建一個ModelSim的工程目錄。2.3.4生成系統(tǒng)建立系統(tǒng)并進行生成選項設(shè)置后，用戶就可以點擊Generate按鈕來生成所設(shè)計的系統(tǒng)。這個按鈕可在任何一個SOPCBuilder的用戶界面中使用。點擊Generate按鈕后，SOPCBuilder會創(chuàng)建以下一些項目：

SDK(針對Nios系統(tǒng))；

系統(tǒng)中每一個元件的HDL文件；

一個對于頂層系統(tǒng)模塊的符號文件(.bsf)；

ModelSim文件；一個Tcl腳本文件，它建立了所有Quartus?Ⅱ編輯所需的文件。在生成進行的過程中，SOPCBuilder會在系統(tǒng)生成過程信息欄中顯示一些消息。系統(tǒng)生成完成后，SOPCBuilder會顯示信息“GenerationComplete”，并在用戶所創(chuàng)建的項目的根目錄下生成一個日志(log)文件。第3章NiosⅡ嵌入式處理器設(shè)計

3.1NiosⅡ嵌入式處理器簡介3.2NiosⅡ嵌入式處理器軟、硬件開發(fā)流程簡介

3.3NiosⅡ嵌入式處理器系統(tǒng)的開發(fā)

3.1NiosⅡ嵌入式處理器簡介3.1.1第一代Nios嵌入式處理器20世紀90年代末，可編程邏輯器件(PLD)的復(fù)雜度已經(jīng)能夠在單個可編程器件內(nèi)實現(xiàn)整個系統(tǒng)，即在一個芯片中實現(xiàn)用戶定義的系統(tǒng)，它通常包括片內(nèi)存儲器和外設(shè)的微處理器。2000年，Altera發(fā)布了Nios處理器，這是AlteraExcalibur嵌入式處理器計劃中的第一個產(chǎn)品，是第一款用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器。

Altera公司的Nios是基于RISC技術(shù)的通用嵌入式處理器芯片軟內(nèi)核，它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設(shè)計，也為可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計了一套綜合解決方案。第一代Nios嵌入式處理器性能高達50MIPs，采用16位指令集，16/32位數(shù)據(jù)通道，5級流水線技術(shù)，可在一個時鐘周期內(nèi)完成一條指令的處理。它可以與各種各樣的外設(shè)、定制指令和硬件加速單元相結(jié)合，構(gòu)成一個定制的SOPC。在Nios之后，Altera公司于2003年3月又推出了Nios的升級版Nios3.0版，它有16位和32位兩個版本。兩個版本均使用16位的RISC指令集，其差別主要在于系統(tǒng)總線帶寬。它能在高性能的Stratix或低成本的Cyclone芯片上實現(xiàn)。

3.1.2第二代Nios嵌入式處理器2004年6月，Altera公司在繼全球范圍內(nèi)推出Cyclone?Ⅱ和Stratix?Ⅱ器件系列后又推出了支持這些新款FPGA系列的Nios?Ⅱ嵌入式處理器。Nios?Ⅱ嵌入式處理器和Cyclone?ⅡFPGA組合，在器件中只占用0.35美元的邏輯資源。Nios?Ⅱ嵌入式處理器在Cyclone?ⅡFPGA中也具有超過100DMIP的性能，允許設(shè)計者在很短的時間內(nèi)構(gòu)建一個完整的可編程芯片系統(tǒng)，風(fēng)險和成本比中小規(guī)模的ASIC小。它與2000年上市的原產(chǎn)品Nios相比，最大處理性能提高3倍，CPU內(nèi)核部分的面積最大可縮小1/2。Nios?Ⅱ系列嵌入式處理器使用32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)，完全與二進制代碼兼容，它是建立在第一代16位Nios處理器的基礎(chǔ)上的，定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios?Ⅱ處理器系列包括了三種內(nèi)核——快速的(Nios?Ⅱ/f)、經(jīng)濟的(Nios?Ⅱ/e)和標(biāo)準(zhǔn)的(Nios?Ⅱ/s)內(nèi)核，每種都針對不同的性能范圍和成本。使用Altera的Quartus?Ⅱ軟件、SOPCBuilder工具以及Nios?Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，用戶可以輕松地將Nios?Ⅱ處理器嵌入到他們的系統(tǒng)中。表3.1NiosⅡ嵌入式處理器的特性

表3.2NiosⅡ系列處理器成員表3.3Nios?Ⅱ嵌入式處理器支持的FPGA

一個典型的Nios?Ⅱ處理器系統(tǒng)如下圖所示。Nios?Ⅱ是一個可靈活配置的軟內(nèi)核處理器。3.1.3可配置的軟核嵌入式處理器的優(yōu)勢1．合理的性能組合使用AlteraNios?Ⅱ處理器和FPGA，用戶可以實現(xiàn)在處理器、外設(shè)、存儲器和I/O接口方面的合理組合。(1)三種處理器內(nèi)核。Nios?Ⅱ開發(fā)人員可以選擇一個或任意以下三種內(nèi)核的組合：快速的內(nèi)核(Nios?Ⅱ/f)具備高性能，經(jīng)濟的內(nèi)核(Nios?Ⅱ/e)具備低成本，標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核(Nios?Ⅱ/s)用于性能和尺寸的平衡。(2)超過60種SOPCBuilder配備的內(nèi)核。用戶可以創(chuàng)建一組適合于自己應(yīng)用的外設(shè)、存儲器和I/O接口?，F(xiàn)成的嵌入式處理器可以快速嵌入Altera的FPGA中。(3)無限的DMA通道組合。直接存儲器存取(DMA)可以連接到任何外設(shè)從而提高系統(tǒng)的性能。

(4)可配置的硬件及軟件調(diào)試特性。軟件開發(fā)人員具有多個調(diào)試選擇，包括基本的JTAG的運行控制(運行、停止、單步、存儲器等)、硬件斷點、數(shù)據(jù)觸發(fā)、片內(nèi)和片外跟蹤、嵌入式邏輯分析儀。這些調(diào)試工具可以在開發(fā)階段使用，一旦調(diào)試通過后就可以去掉。2．提升系統(tǒng)的性能設(shè)計人員通常都會選擇一個比實際所需的性能要高的處理器(意味著更高的成本)，從而為設(shè)計保留一個安全的性能上的余量。Nios?Ⅱ系統(tǒng)的性能是可以根據(jù)應(yīng)用來裁減的，與固定的處理器相比，在較低的時鐘速率下具備更高的性能。Nios?Ⅱ的以下特性可以提升系統(tǒng)的性能。3．降低系統(tǒng)成本嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員總是堅持不懈地尋找降低系統(tǒng)成本的方法。然而，選擇一款處理器，在性能和特性上總是與成本存在著沖突，最終結(jié)果總是以增加系統(tǒng)成本為代價的。4．應(yīng)付產(chǎn)品的生命周期開發(fā)人員希望快速將他們的產(chǎn)品推向市場，并保持一個較長的產(chǎn)品生命周期。3.2NiosⅡ嵌入式處理器軟、硬件開發(fā)流程簡介

Nios?Ⅱ和Nios的開發(fā)流程是一樣的，只是在軟件開發(fā)上