第5章 Nios Ⅱ嵌入式处理器设计

Quartus Ⅱ
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 5.1.3 可配置的软核嵌入式处理器的优势 1．合理的性能组合 使用 Altera Nios□Ⅱ处理器和FPGA ，用户可以实 现在处理器、外设、存储器和 I/O 接口方面的合理组 合。 (1) 三种处理器内核。Nios□Ⅱ开发人员可以选择 一个或任意以下三种内核的组合：快速的内核 (Nios□Ⅱ/f)具备高性能，经济的内核(Nios□Ⅱ/e)具备 低成本，标准的内核(Nios□Ⅱ/s)用于性能和尺寸的平 衡。
5.1 NiosⅡ嵌入式处理器简介
5.1.1 第一代Nios嵌入式处理器 20世纪90年代末，可编程逻辑器件(PLD)的复杂度 已经能够在单个可编程器件内实现整个系统，即在一 个芯片中实现用户定义的系统，它通常包括片内存储 器和外设的微处理器。2000年，Altera发布了Nios处理 器，这是Altera Excalibur嵌入式处理器计划中的第一个 产品，是第一款用于可编程逻辑器件的可配置的软核 处理器。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 (2) 超过60种SOPC Builder配备的内核。用户可以 创建一组适合于自己应用的外设、存储器和I/O接口。 现成的嵌入式处理器可以快速嵌入Altera的FPGA中。 (3) 无限的DMA通道组合。直接存储器存取(DMA) 可以连接到任何外设从而提高系统的性能。 (4) 可配置的硬件及软件调试特性。软件开发人员 具有多个调试选择，包括基本的JTAG的运行控制(运 行、停止、单步、存储器等)、硬件断点、数据触发、 片内和片外跟踪、嵌入式逻辑分析仪。这些调试工具 可以在开发阶段使用，一旦调试通过后就可以去掉。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 3．降低系统成本 嵌入式系统设计人员总是坚持不懈地寻找降低系统成本 的方法。然而，选择一款处理器，在性能和特性上总是与成 本存在着冲突，最终结果总是以增加系统成本为代价的。利 用Nios□Ⅱ处理器可以通过以下途径来降低成本： (1) 更大规模的系统集成。将一个或更多的 Nios□Ⅱ处 理器组合，选择合适的外设、存储器、 I/O 接口，利用这种 方法可以减少电路板的成本、复杂程度以及功耗。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 Altera公司的Nios是基于RISC技术的通用嵌入式处 理器芯片软内核，它特别为可编程逻辑进行了优化设 计，也为可编程单芯片系统(SOPC)设计了一套综合解 决方案。第一代Nios嵌入式处理器性能高达50 MIPs， 采用16位指令集，16/32位数据通道，5级流水线技 术，可在一个时钟周期内完成一条指令的处理。它可 以与各种各样的外设、定制指令和硬件加速单元相结 合，构成一个定制的SOPC。Nios处理器还具有一种基 于JTAG的OCI(片上仪器)芯核，使软件开发人员在实 时调试方面具有更明显的优势。该处理器的软件支持 可扩展到对APR、IP、ICMP、TCP、UDP和以太网的 网络协议支持。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 在 Nios 之后， Altera 公司于 2003 年 3 月又推出了 Nios 的升级版 Nios 3.0 版，它有 16 位和 32 位两个版 本。两个版本均使用 16 位的 RISC 指令集，其差别主 要在于系统总线带宽。它能在高性能的Stratix或低成 本的Cyclone芯片上实现。 Nios 3.0的主要特性有： (1) 更多的可配置的寄存器。用户根据需要可自 行配置的内部寄存器数目多达512个。编译器可利用 这些内部寄存器加快对子程序的调用和对变量的寻 址。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 5.1.2 第二代Nios嵌入式处理器 2004年6月，Altera公司在继全球范围内推出 Cyclone□Ⅱ和Stratix□Ⅱ器件系列后又推出了支持这 些新款FPGA系列的Nios□Ⅱ嵌入式处理器。Nios□Ⅱ 嵌入式处理器和Cyclone□Ⅱ FPGA组合，在器件中只 占用0.35美元的逻辑资源。Nios□Ⅱ嵌入式处理器在 Cyclone□Ⅱ FPGA中也具有超过100 DMIP的性能，允 许设计者在很短的时间内构建一个完整的可编程芯片 系统，风险和成本比中小规模的ASIC小。它与2000年 上市的原产品Nios相比，最大处理性能提高3倍，CPU 内核部分的面积最大可缩小1/2。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计
(2) □FPGA系列支持。Nios□Ⅱ处理器可以工作在所有近 来 Altera 推出的 FPGA 系列上。尤其是在 Stratix□Ⅱ器件上， Nios□Ⅱ/f 内核超过 200 DMIPS 的性能仅占用 1800 个逻辑单 元。在更大的器件上，诸如Stratix□Ⅱ EP2S180 器件，一个 Nios□Ⅱ的内核只占用了 1% 的可用逻辑资源，这些微量的资 源仅在 Quratus□Ⅱ设计软件资源使用的波动范围之内，可以 说用户几乎是免费得到了一个200 DMIPS性能的处理器。 (3) 多处理器系统。许多开发人员使用Nios来扩充外部的处 理器，为保持系统的性能并分担处理任务。另外，设计者也可 以在一片FPGA内部实现多个处理器内核。通过将多个 Nios□Ⅱ/f内核集成到单个器件内以获得较高的性能，而不用 重新设计印刷电路板(PCB)。Nios□Ⅱ的IDE也可以支持这种多 处理器在单一FPGA上的开发，或多个FPGA共享一条JTAG
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 (4) 定制指令。用户定制指令是一个扩展处理器指 令的方法，最多可以定制256个用户指令(见图5.1)。定 制指令处理器还是处理复杂的算术运算和加速逻辑的 最佳途径。例如，将一个在64 K字的缓冲区实现的循 环冗余码校验(CRC)的逻辑块作为一个定制的指令，要 比用软件实现快27倍。
CPU 结构
片内调试 定制指令 软件开发工具
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 表5.2 NiosⅡ系列处理器成员
内 核 Nios Ⅱ/f (快速) Nios Ⅱ/e (经济) Nios Ⅱ/s (标准) 说 明 最高性能的优化 最小逻辑占用的优化 平衡性能和尺寸。Nios Ⅱ/s 内核不仅比最快的第一代的 Nios CPU(16 比特 ISA)更快，而且比最小的第一代的 Nios CPU 还要小
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计
5.1 NiosⅡ嵌入式处理器简介 5.2 NiosⅡ嵌入式处理器软、硬件开发流程简介 5.3 NiosⅡ嵌入式处理器系统的开发 5.4 NiosⅡ处理器外围接口 5.5 HAL系统库 5.6 应用示例——电子钟 思考题
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第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 (2) 极大的灵活性和可扩展性。用户可在FPGA容量允 许范围内自由配置处理器的Cache大小、指令集ROM大 小、片内RAM和ROM大小、I/O引脚数目和类型、中断引 脚数目、定时器数目、通用串口数目、扩展地址和数据引 脚等处理器的性能指标。此外，用户还可以在处理器ALU 中直接加入自定义的数字逻辑，并添加自定义的处理器指 令。 (3) 功能强大的开发工具。使用SOPC Builder开发工 具，开发者可以快速开发出满足设计需要的处理器。该开 发工具支持C、C++语言，并提供了常用的功能类库。开发 者可以直接使用C、C++语言进行系统软件开发，然后在线 调试自行设计的Nios处理器和软件。当软件达到设计要求 时，可通过该工具将执行代码转换成Flash文件格式或HEX
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 表5.3 Nios□Ⅱ嵌入式处理器支持的FPGA
器 件 Ⅱ Stratix Stratix Stratix GX Cyclone HardCopy Stratix 说 明 最高的性能，最高的密度，特性丰富，并带有大量存储器的平台 高性能，高密度，特性丰富并带有大量存储器的平台 高性能的结构，内置高速串行收发器 低成本的 ASIC 替代方案，适合价格敏感的应用 业界第一个结构化的 ASIC，是广泛使用的传统 ASIC 的替代方案 设计软件
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 (2) 优化FPGA/CPU的选择。经济型的内核 (Nios□Ⅱ/e)只占用不到35美分的Cyclone器件资源，保 留了更多的逻辑资源给其他片外的器件；并仅仅占用 600个逻辑单元，这样就可将软核处理器应用于低成本 的、需要低处理性能的系统中。小的CPU还使得在单 个的FPGA芯片上嵌入多个处理器成为可能。 (3) 更好的库存管理。嵌入式系统通常包含了来自 多个生产商的多种处理器，以应付多变的系统任务。 当某种处理器短缺时，管理这些处理器的库存也是个 问题。但是使用标准化的Nios□Ⅱ软核处理器，库存 的管理将会大大简化，因为通过将处理器实现在标准 的FPGA器件上减少了对处理器种类的需求。
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 第一代的Nios已经体现出了嵌入式软核的强大优 势，但是还不够完善。它没有提供软件开发的集成环 境，用户需要在Nios SDK Shell中以命令行的形式执行 软件的编译、运行、调试，程序的编辑、编译、调试 都是分离的，而且还不支持对项目的编译。这对用户 来说不够方便，还需要功能更为强大的软核处理器和 开发环境。
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Optional FIFO,Memory,and Other L
NiosⅡEmbedded Processor Custom result datab Logic dataa dataa 32 datab 32 clk clk_en reset start n8 a 5 b5 c 5 Combinatorial 32 result
第5章 NiosⅡ嵌入式处理器设计 2．提升系统的性能 设计人员通常都会选择一个比实际所需的性能要 高的处理器(意味着更高的成本)，从而为设计保留一个 安全的性能上的余量。 Nios□Ⅱ系统的性能是可以根 据应用来裁减的，与固定的处理器相比，在较低的时 钟速率下具备更高的性能。 Nios□Ⅱ的以下特性可以 提升系统的性能。 (1) 多CPU内核。开发者可以选择最快的Nios□Ⅱ 内核(Nios□Ⅱ/f)以获得高性能，还可以通过添加多个 处理器来获得所需的系统性能。