基于DSP的SOPC技術(shù)設計

結合Altera公司推出的Nios II嵌入式軟核處理器，提出一種具有常規DSP處理器功能的NiosII系統SOPC解決方案；利用NiosII可自定叉指令的特點(diǎn)。

　　通過(guò)Matlab和DSP Builder或直接用VHDL設計并生成復數乘法器、整數乘法器和浮點(diǎn)乘法器等硬件模塊，將它們定制為相應的指令，從而將軟件的靈活性和硬件的高速性結合起來(lái)，較好地解決了傳統DSP處理器所面臨的速度問(wèn)題、硬件結構不可重構性問(wèn)題、開(kāi)發(fā)升級周期長(cháng)和不可移植性等問(wèn)題。

　　隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機工具軟件的發(fā)展，可編程片上系統SOPC的設計理念和設計方法成為了一種趨勢。為了解決傳統DSP處理器所面臨的速度問(wèn)題、硬件結構不可重構性問(wèn)題、開(kāi)發(fā)升級周期長(cháng)和不可移植性等問(wèn)題，我們應用Altera公司推出的Nios II嵌入式軟核處理器，提出了一種具有常規
DSP處理器功能的Nios II系統SOPC解決方案。

　　由于可編輯的Nios II核含有許多可配置的接口模塊核，因此用戶(hù)可根據設計要求，利用Quar-tusII和SOPC Builder對NiosII及其外圍系統進(jìn)行構建。而且用戶(hù)可通過(guò)Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述語(yǔ)言設計，為Nios II嵌入式處理器設計各類(lèi)硬件模塊，并以指令的形式加入Nios II的指令系統，從而成為Nios II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Nios II所具有的這些重要特點(diǎn)，使得可重構單片DSP處理器功能系統的設計成為可能。

　　1 系統結構

　　本系統為單片DSP可重構系統，能實(shí)現數字信號處理方面各種功能。其中，Nios II軟核處理器的建立，主要起人機交互和控制作用。FPGA的邏輯模塊從Nios II處理器接收控制信號和數據后，實(shí)現相應的硬件功能。系統結構框圖如圖l所示。除了軟核處理器Nios II外，存儲器和I／O接口以及FIR數字濾波器、IIR數字濾波器和DDS等應用模塊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，各模塊均受Nios II處理器的控制。Nios II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閫通信的時(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。

　　本系統的FPGA采用Cyclone EPICl2，它有12 060個(gè)邏輯單元(LE)和2個(gè)鎖相環(huán)(PLLs)，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。選用超高速10位D／A轉換器565l實(shí)現D／A轉換功能，轉換速率最高為150 MHz。整個(gè)系統在Nios II處理器的控制下，可實(shí)現FIR數字濾波、IIR數字濾波、快速傅里葉變換(FFT)算法、編／解碼、DDS功能模塊設計，以及由它構成的數控頻率調制、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。下面構建一個(gè)具有常規DSP處理器功能的Nios II系統。

　　2 Nios II嵌入式系統設計流程

　　NiosII嵌入式處理器是Altera公司推出的一種專(zhuān)門(mén)為單芯片可編程系統(SOPC)設計而優(yōu)化的CPU軟核，是一種面向用
戶(hù)、可以靈活定村的通用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++等語(yǔ)言進(jìn)行程序優(yōu)化開(kāi)發(fā)；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Nios II系統外的接口邏輯。設計者可以使用Nios II加上外部的Flash、SRAM等，在FPGA上構建一個(gè)嵌入式處理器系統。

　　完整的基于Nios II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。Nios II的硬件設計是為了定制合適的CPU和外設，在SOPCBuider和Quartus II中完成。在這里，可以靈活定制NiosII CPU的許多特性甚至指令；可以使用Altera公司提供的大量IP核來(lái)加快開(kāi)發(fā)Ntos II外設的速度，提高外設性能；也可使用第三方的IP核，或VHDL自己來(lái)定制外設。完成Nios II的硬件開(kāi)發(fā)后，SOPC Buider可自動(dòng)生成與自定義的Nios II CPU和外設系統、存儲器、外設地址映射等相對應的軟件開(kāi)發(fā)包SDK；在生成的SDK基礎上，進(jìn)入軟件開(kāi)發(fā)流程?？墒褂脜R編或C語(yǔ)言，甚至C++語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行嵌入式程序設計，使用GNU工具或其他第三方工具進(jìn)行程序的編譯、鏈接及調試。