基于Nios的FFT算法軟硬件協(xié)同設計

摘要：在深入研究Nios自定制指令的軟硬件接口的基礎上，利用Matlab／DSP Builder建立快速傅里葉變換FFT核心運算指令基本模型，然后用Altera公司提供的Singacompiler工具對其進(jìn)行編譯，產(chǎn)生 QuartusⅡ能夠識別的VHDL源程序，并將此程序在Nios中自定制成相關(guān)的FFT運算指令。利用自定制的FFT運算指令，在Nios中利用C語(yǔ)言 編寫(xiě)基于Nios的FFT算法程序，實(shí)現了FFT運算的軟硬件協(xié)同設計。經(jīng)測試表明，將FFT算法加入到Nios嵌入式處理器指令集中，可以幫助系統完成 復雜的數據處理任務(wù)，增強Nios系統的實(shí)時(shí)處理能力。該設計方法打破了軟硬件間的屏障，大大加快了系統的功能驗證。
關(guān)鍵詞：FFT；自定制指令；軟硬件協(xié)同設計；EP2C5Q208C8

在自動(dòng)控制領(lǐng)域，往往要對被控對象進(jìn)行狀態(tài)檢測，從而作出下一步的處理，達到控制的目的，因此自動(dòng)控制系統離不開(kāi)對被控系統的狀態(tài)進(jìn)行監測，以便對其進(jìn)行 處理，例如滾動(dòng)軸承故障、電動(dòng)機故障等均可以利用頻譜分析法對其進(jìn)行狀態(tài)監測和故障診斷。要檢測被控對象的狀態(tài)，就離不開(kāi)數字信號處理，因此，數字信號處 理應用廣泛。并且FFT(快速傅里葉變換)促進(jìn)了數字信號處理的發(fā)展，它可應用傅里葉變換理論所能涉及的任何領(lǐng)域。對于FFT工程的實(shí)現方法有軟件法和硬 件法，即通過(guò)軟件程序完成FFT運算，這種方法可適用于各種數字信號處理的應用場(chǎng)合，很靈活，但缺點(diǎn)是不能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。而使用專(zhuān)用硬件完成數字信號處理 的方法能夠實(shí)現實(shí)時(shí)處理，但外圍電路相對復雜，不易擴展，靈活性差，且價(jià)格昂貴。因此人們一方面尋求結構簡(jiǎn)單、運算速度快，存儲量小的FFI實(shí)現方法，另 一方面采用先進(jìn)的VLSI技術(shù)改進(jìn)實(shí)現FFT的硬件結構，將算法硬件化。
Nios嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠(chǎng)商Althera推出的軟核CPU，它是一種面向用戶(hù)的、可靈活定制的通用RISC嵌入式CPU。用戶(hù)可以在 Nios指令系統中增加用戶(hù)自定義指令，以增強對強實(shí)時(shí)軟件算法的處理能力，可以把一個(gè)復雜的標準指令序列簡(jiǎn)化為一條用硬件實(shí)現的單個(gè)指令。特別是在需要 使用大量FFT算法的場(chǎng)合，可以根據用戶(hù)的需要，定制專(zhuān)門(mén)的FFT處理器硬件和定制一些諸如復數乘法或復數加法等傳統運算指令，使Nios系統不但具有常 規數字信號處理器功能，而且具有軟件實(shí)現FFT運算處理的特點(diǎn)。

1 FFT算法原理
1．1 按時(shí)間抽取的基-2 FFT算法
設序列x(n)長(cháng)度為N，且滿(mǎn)足N=2M，M為正整數。按n的奇偶把x(n)分解為2個(gè)N／2點(diǎn)的子序列：

則可將DFT化為：

式中，X1(k)與X2(k)分別是x1(r)及x2(r)的N/2點(diǎn)DFT。