一種基于NiosⅡ的可重構DSP系統設計

引言
　　為了解決傳統DSP所面臨的速度低、硬件結構不可重構、開(kāi)發(fā)升級周期長(cháng)和不可移植等問(wèn)題，本文應用Altera公司推出的NiosII嵌入式軟核處理器，提出了一種具有常規DSP的NiosII系統功能SOPC解決方案。由于可編程的NiosII核含有許多可配置的接口模塊，用戶(hù)可根據設計要求，利用QuartusII和SOPC Builder對NiosII及其外圍系統進(jìn)行構建。用戶(hù)還可通過(guò)Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，為NiosII嵌入式處理器設計各類(lèi)硬件模塊，并以指令的形式加入到NiosII的指令系統中，使其成為NiosII系統的一個(gè)接口設備，與整個(gè)片內嵌入式系統融為一體，而不是直接下載到FPGA中生成龐大的硬件系統。正是NiosII所具有的這些重要特點(diǎn)，使得可重構單片DSP系統的設計成為可能。

Nios II嵌入式系統設計流程
　　NiosII嵌入式處理器專(zhuān)為單芯片可編程系統設計而優(yōu)化，是一種面向用戶(hù)、可以靈活定制的通用RISC(精簡(jiǎn)指令集)嵌入式CPU。它采用Avalon總線(xiàn)結構通信接口，帶有增強的內存、調試和軟件功能，可采用匯編或C、C++等進(jìn)行程序優(yōu)化開(kāi)發(fā)。NiosII具有32位指令集、32位數據通道和可配置的指令及數據緩沖。與普通嵌入式CPU系統的特性不同，其外設可以靈活選擇或增刪，可以自定制用戶(hù)邏輯為外設，可以允許用戶(hù)定制自己的指令集。由硬件模塊構成的自定制指令可通過(guò)硬件算法操作來(lái)完成復雜的軟件處理任務(wù)，也能訪(fǎng)問(wèn)存儲器或NiosII系統外的接口邏輯。設計者可以使用NiosII及外部的Flash、SRAM等，在FPGA上構成一個(gè)嵌入式處理器系統。
完整的基于NiosII的SOPC系統是一個(gè)軟硬件復合的系統，因此在設計時(shí)可分為硬件和軟件兩部分。NiosII的硬件設計是為了定制合適的CPU和外設，在SOPC Buider和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NiosII CPU的許多特性甚至指令，可使用Altera公司提供的大量IP核來(lái)加快開(kāi)發(fā)NiosII外設的速度，提高外設性能，也可以使用第三方的IP核或VHDL來(lái)自行定制外設。完成NiosII的硬件開(kāi)發(fā)后，SOPC Buider可自動(dòng)生成與自定義的NiosII CPU和外設系統、存儲器、外設地址映射等相應的軟件開(kāi)發(fā)包SDK，在生成的SDK基礎上，進(jìn)入軟件開(kāi)發(fā)流程。用戶(hù)可使用匯編或C，甚至C++來(lái)進(jìn)行嵌入式程序設計，使用GNU工具或其它第三方工具進(jìn)行程序的編譯連接以及調試。

單片DSP系統構架
　　本系統為單片DSP可重構系統，能完成數字信號處理方面各功能的操作。其中NiosII軟件處理器主要完成人機交互和控制作用；FPGA的邏輯模塊從NiosII處理器接收控制信號和數據后，完成相應的硬件功能。系統框圖如圖1所示，除了軟核處理器NiosII外，存儲器、I/O接口以及FIR數字濾波器、IIR數字濾波器、DDS等應用模塊等均可作為外設嵌入在FPGA中。這樣，整個(gè)DSP的數字信號處理部分全部集成在FPGA器件中，各模塊受NiosII處理器的控制。NiosII處理器系統中有Avalon總線(xiàn)，它規定了控制器與從屬模塊間的端口連接以及模塊間通信的時(shí)序。數字頻率合成器（DDS）通過(guò)Avalon總線(xiàn)與Nios II處理器相連，能很方便地完成控制及數據傳送。
在本系統中，FPGA采用Cyclone? EPIC12，它有12060個(gè)邏輯單元（LE）和2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，提供6個(gè)輸出和層次時(shí)鐘結構以及復雜設計的時(shí)鐘管理電路。整個(gè)系統在NiosII處理器的控制下，可實(shí)現FIR、IIR數字濾波、快速傅立葉變換（FFT）算法、編/解碼等功能，系統還能進(jìn)行DDS功能模塊設計，并構成具有數控頻率調制、正交載波調制解調、數控相位調制等功能的信號發(fā)生器。系統中各功能模塊的選擇以及輸出信號調制方式和頻率的選擇均可通過(guò)外接的按鍵自由選擇。
　　
系統硬件設計
　　系統的硬件系統包括FPGA、存儲器和外圍元器件3個(gè)部分。FPGA部分需要在SOPC Buider中設計，包含NiosII CPU核、內部時(shí)鐘、Avalon總線(xiàn)控制器、連接NiosII核的下載和調試程序的JTAG_UART通信模塊、DDS接口模塊及DDS模塊、FIR、IIR數字濾波器接口模塊及功能模塊、編/解碼模塊及接口模塊、flash存儲器模塊等。各外設模塊核通過(guò)在片上的Avalon總線(xiàn)與NiosII相連。為使具有DSP處理器功能的NiosII系統正常工作，在FPGA外圍接有一些控制鍵，以調度各模塊的應用。

建立Nios II嵌入式處理器系統
　　首先利用QuartusII建立項目工程，選用的目標器件為Cyclone? EPIC12，用SOPC Buider創(chuàng )建NiosII組件模型，生成硬件描述文件，鎖定引腳后進(jìn)行綜合與適配，生成NiosII硬件系統下載文件。然后建立NiosII嵌入式系統，從SOPC Buider組件欄中加入需要的各種組件：如NiosIICPU Core、定時(shí)器Timer、JTAG_UART、Avalon三態(tài)總線(xiàn)橋、鍵輸入I/O口、Flash等。另外，為了實(shí)現NiosII處理器對EPCS Flash存儲器的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，還要加入一個(gè)EPCS Serial Flash Controller組件，通過(guò)此控制器將用于FPGA配置的SOF文件和CPU運行的軟件一并存于EPCS器件中，以便大大簡(jiǎn)化硬件系統組成結構。為了保證所有組件的地址安排合法，要對各組件地址進(jìn)行自動(dòng)分配，最后進(jìn)行全程編譯，即進(jìn)行分析、綜合、適配和輸出文件裝配，以完成NiosII硬件系統的設計。
在NiosII硬件系統設計完成后，將配置文件下載到指定的FPGA中。通過(guò)SOPC Buider軟件窗口，可進(jìn)入NiosII DSK軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設計。

DSP處理器功能系統的建立
　　使用DSP Buider在FPGA上進(jìn)行DSP模塊的設計，可實(shí)現高速DSP處理。但是，在實(shí)際應用中，由于DSP處理的算法往往比較復雜，如果單純使用DSP Buider來(lái)實(shí)現純硬件的DSP模塊，會(huì )耗費過(guò)多的硬件資源，有時(shí)也無(wú)法完成復雜的運算。在DSP算法中反復出現的一些運算，如復數乘法、整數乘法、浮點(diǎn)乘法等，在通用的CPU中都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的相關(guān)指令。利用Nios II的自定制指令特性，在系統設計中，可利用MATLAB、DSP Buider或VHDL設計并生成復數乘法器、整數乘法器、浮點(diǎn)乘法器等硬件模塊，在QuartusII環(huán)境中對上述文件作一些修正后，在SOPC Buider窗口中將它們定制為相應的指令，并可設定或修改執行該指令的時(shí)鐘周期。在進(jìn)行DSP算法運算時(shí)，可通過(guò)匯編或C，甚至C++來(lái)運用這些自定義指令進(jìn)行嵌入式程序設計。

　　用MATLAB、DSP Buider設計的復數乘法器模型如圖2所示，它完成了16位的復數乘法，虛部和實(shí)部的位寬都是16位，可以用一個(gè)32位的值來(lái)表示該復數。在設計中，NiosII為32位數據，正好可以放置2個(gè)復數。

　　要將這個(gè)復數乘法器硬件模塊設置成相應的指令，還要進(jìn)行以下操作：?jiǎn)螕魣D標SignalCompiler對其進(jìn)行轉換，選擇器件（用Cyclone）、選擇QuartusII綜合器，轉換后使其生成SOPC Buider的PTF文件。退出MATLAB后，在QuartusII環(huán)境中對轉換后所生成的復數乘法器的頂層VHDL文件進(jìn)行修改。在SOPC Buider窗口中雙擊cpu項，進(jìn)入指令加入編輯窗；單擊Import按鈕，進(jìn)入加入模塊文件窗口；單擊Add按鈕，打開(kāi)頂層文件；單擊Read port-list from files按鈕，得到端口加入情況顯示窗口；單擊Add to System按鈕，加入復數乘法器設計模塊，將這個(gè)硬件模塊設置成自定義的復數乘法指令comp。還可以修改該指令的指令周期。單擊Generate按鈕，進(jìn)行SOPC生成。
另外，NiosII的外設是可任意定制的，NiosII系統的所有外設都通過(guò)Avalon總線(xiàn)與NiosII CPU相接。Avalon總線(xiàn)是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的片內總線(xiàn)，NiosII通過(guò)Avalon總線(xiàn)與外界進(jìn)行數據交換。在本系統中，采用Avalon Slave外設方式加入了自定制Avalon總線(xiàn)組件A/D轉換接口模塊、D/A接口模塊，用于控制采樣ADC的工作并控制高速DAC的波形數據輸出。而自定義的Avalon總線(xiàn)組件DDS模塊接口和DSP功能轉換控制接口則用于NiosII CPU對DDS模塊的控制及通過(guò)外部鍵盤(pán)來(lái)控制DSP功能的選擇。

系統軟件設計
　　指令生成并加入總線(xiàn)和各種需要加入的外設組件（如各類(lèi)接口、flash等）后，對基于NiosII的SOPC系統進(jìn)行編譯并下載到FPGA中。在NiosII的硬件系統生成的同時(shí)，SOPC Buider幫助用戶(hù)生成相應的SDK（軟件開(kāi)發(fā)包）。由于在硬件開(kāi)發(fā)中的Nios CPU及其外設構成的系統是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，需要專(zhuān)有的SDK，用戶(hù)新定制的指令也必須修改原有的編譯工具，這些都由SOPC Buider自動(dòng)生成。
在生成SDK的基礎上，可進(jìn)入系統軟件的設計。在這里，軟件的開(kāi)發(fā)設計與通常的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)設計相類(lèi)似，唯一不同點(diǎn)在于這時(shí)面對的嵌入式系統是自己定制的、裁剪過(guò)的，因此，受到硬件的局限性會(huì )小些?？墒褂脜R編、C、C++來(lái)進(jìn)行嵌入式程序設計，使用GNU工具或其它第三方工具進(jìn)行程序的編譯連接以及調試。

　　比如，將復數乘法器硬件模塊設置成相應的指令后，鎖定引腳，全程編譯。然后利用QuartusII編輯C程序進(jìn)行測試。在FPGA中的Nios CPU中運行C程序。測試成功后，在DSP計算中遇到復數乘法就可以運用復數乘法指令。
DDS模塊還是以硬件形式固化在FPGA中，可以根據需要，利用DDS設計出幅度、相位和頻率調制器。
　　
結語(yǔ)
　　這種將常用的硬件模塊生成指令，軟、硬件并存的設計方法在FPGA中可實(shí)現較復雜的DSP運算。整個(gè)系統除了ADC、DAC和控制選擇鍵盤(pán)外，都可在1片FPGA可編程芯片中實(shí)現。還可通過(guò)Avalon總線(xiàn)自定義各種接口模塊組件，提高整個(gè)DSP系統的靈活性，將軟件的靈活性和硬件的高速性予以結合。