雙Nios II軟核在嵌入式系統中的應用

　　引 言

　　SOPC(System On Programmable Chip)即可編程片上系統，或者說(shuō)是基于大規模FPGA的單片系統，是美國Altera公司于2000年提出的。它將處理器、存儲器、I／O口、LVDS、CDR等系統設計需要的功能模塊集成到一個(gè)PLD器件上，將其構建成一個(gè)可編程的片上系統；具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。由于SOPC系統具有靈活的設計方式、高效的開(kāi)發(fā)手段、廉價(jià)的設計成本，可以實(shí)現過(guò)去不可能實(shí)現的更高的系統性能，因此它在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應用。

　　NiosII嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠(chǎng)商Altera公司推出的軟核CPU，是一種面向用戶(hù)的，可以靈活定制的通用精簡(jiǎn)指令集架構(RISC)32位嵌入式CPU。NiosII以軟核的方式提供給用戶(hù)，并專(zhuān)門(mén)在A(yíng)ltera公司的FPGA上實(shí)現了優(yōu)化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實(shí)現。

　　本文將以VOD視頻點(diǎn)播系統為例，介紹采用NiosII構建可編程片上系統SOPC的過(guò)程，以及雙CPU及其同步通信技術(shù)實(shí)現的視頻點(diǎn)播系統主機部分的設計思想和工作原理。

　　1 工程應用

　　1.1 VOD相關(guān)內容及雙CPU使用的必要性

　　視頻點(diǎn)播是一種交互式多媒體信息點(diǎn)播系統。其本質(zhì)是，信息使用者可根據自己的需求主動(dòng)獲取多媒體信息，打破目前用戶(hù)收看節目的被動(dòng)方式，使用戶(hù)從“播什么節目看什么節目”變成“想看什么節目就播什么節目”，從而按照自己的意愿通過(guò)網(wǎng)絡(luò )點(diǎn)播視頻服務(wù)器中的視頻節目。視頻點(diǎn)播以電視技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)為基礎，它區別于信息發(fā)布的最大不同是用戶(hù)具有主動(dòng)性與選擇性。

　　VOD系統主要由3部分構成：視頻點(diǎn)播服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò )和視頻點(diǎn)播終端。當點(diǎn)播終端發(fā)出點(diǎn)播請求時(shí)，點(diǎn)播服務(wù)器就會(huì )根據點(diǎn)播信息，將存放在節目庫中的影視信息檢索出來(lái)，并將視頻數據流通過(guò)高速傳輸網(wǎng)絡(luò )傳送到各個(gè)點(diǎn)播終端。點(diǎn)播終端接收到數據流后，將其解碼送到顯示器播放。

　　本設計采用一塊大容量硬盤(pán)作為VOD系統的點(diǎn)播數據源，將MPEG-1格式的影音文件按照FAT 32標準存放在硬盤(pán)上。由于視頻點(diǎn)播系統對硬盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)的速度要求非常高，采用操作系統已無(wú)法滿(mǎn)足要求，所以利用SOPC技術(shù)將Altera公司的第2代嵌入式處理器NioslI嵌入到FPGA中，并通過(guò)DMA控制器直接對硬盤(pán)進(jìn)行最底層的操作，完成對影音文件的管理、檢索和數據讀取，充分發(fā)揮了FPGA的高速優(yōu)勢。本視頻點(diǎn)播服務(wù)器可以驅動(dòng)多達64個(gè)完全獨立的視頻終端。

　　為實(shí)現64路終端實(shí)時(shí)播放影片，必須對視頻數據流的傳輸速率嚴格規定，由于所有終端播放的文件均為MPEG-1格式，此格式下影片連續播放所需的數據流速率為1.416 Mb／s。本系統采用的數據收發(fā)器AM7968／7969的傳輸率為80 Mb／s，因此只要邏輯電路設計得當且處理器定時(shí)發(fā)送數據，就可達到視頻不間斷播放的設計要求。但點(diǎn)播系統在滿(mǎn)足視頻數據定時(shí)發(fā)送的條件下還應當實(shí)現讀取硬盤(pán)中存放MPEG-1數據的功能，對終端作出的點(diǎn)播信息作出及時(shí)響應的功能，對USB中影音文件錄入的功能以及顯示屏的刷新與按鍵的處理功能。如果只采用一個(gè)處理器，則無(wú)法對每個(gè)環(huán)節作出及時(shí)響應，無(wú)法保證數據的定時(shí)發(fā)送和硬盤(pán)數據的按時(shí)讀取，所以采取在A(yíng)ltera公司的高性能FPGA中嵌入雙NiosII軟核的方式達到系統設計目的。

　　1.2 系統原理框圖及架構

　　點(diǎn)播服務(wù)器主要由主控制器部分和外圍接口電路兩大部分組成，硬件系統框圖如圖1所示。主控制器單元主要由FPGA、存儲器電路、電源電路、時(shí)鐘、復位電路和配置芯片電路組成。外圍接口主要有：OLED顯示屏、動(dòng)態(tài)掃描鍵盤(pán)、數據緩沖區、SD卡、USB控制器、IDE接口、CAN總線(xiàn)接口、光纖接口等。

　　其中數據緩沖區由2個(gè)容量各為32 MB的SDRAM組成，用于暫時(shí)存放DMA控制器從硬盤(pán)讀出的視頻數據；USB接口用于節目源的錄入；IDE接口用于與磁盤(pán)陣列連接；各終端的點(diǎn)播信息通過(guò)CAN總線(xiàn)送到點(diǎn)播服務(wù)器；視頻數據流通過(guò)4根光纖傳送到各個(gè)終端，每16個(gè)終端共用1根光纖，4根光纖可以驅動(dòng)64個(gè)終端。

　　其中FPGA中，雙NiosII邏輯設計架構實(shí)現如圖2所示。

　　NiosII Exectltion Core 1為主CPU，在這個(gè)處理器系統里面，DMA控制器負責將視頻數據從硬盤(pán)讀到緩沖區中；USB驅動(dòng)器負責從其他移動(dòng)存儲設備中錄入節目源到硬盤(pán)陣列；CAN BUS驅動(dòng)器負責接收終端的點(diǎn)播信息；Tristate Bridge用來(lái)連接外部程序存儲器SDRAM和Flash；OLED驅動(dòng)器用來(lái)控制OLED顯示屏；Uart核為RS232接口。

　　Nios II Execution Core 2為從CPU，專(zhuān)門(mén)用于向終端傳輸視頻數據流。最為關(guān)鍵的部分為T(mén)ransmit BUSDriver，它負責將DMA控制器寫(xiě)入緩沖區的數據讀出來(lái)，并送給光纖發(fā)送模塊向終端發(fā)送。

　　此外，還必須有一個(gè)握手模塊(handshake module)，負責2個(gè)CPU之間的信息傳遞，使2個(gè)CPU協(xié)調工作。

　　1.3 相關(guān)設置及添加過(guò)程

　　(1)NiosII CPU定制

　　根據不同設計的要求，有3種不同的內核類(lèi)型可供選擇——快速型、經(jīng)濟型和標準型?？焖傩蛢群司哂凶罡叩奶幚硇阅?，經(jīng)濟型內核具有最低的資源占用，而標準型在性能和資源之間作了個(gè)平衡。本設計中，CPU1需要實(shí)現硬盤(pán)數據讀取、顯示屏控制、總線(xiàn)請求、鍵盤(pán)處理等各種功能，因此選用標準型內核；而CPU2只要定時(shí)讀取數據并發(fā)送至輸出模塊，功能單一，因此選取快速型內核便可勝任。

　　(2)NiosII外圍設備定制

　　Altera公司推出SOPC設計技術(shù)的同時(shí)也為用戶(hù)提供了一些可以選用的存儲、接口和功能模塊的IP核。這些核可以直接添加到用戶(hù)的設計中。啟動(dòng)SOPC Builder后，在GUI界面中左邊是可供用戶(hù)選擇的模塊資源池，包括處理器和各種外設(其中有自己開(kāi)發(fā)的模塊)，也包括第3方開(kāi)發(fā)的模塊。用戶(hù)模塊也可以放入資源池，用戶(hù)邏輯在第一次定義后，就可以將其放人模塊資源池，以后使用時(shí)當成普通模塊一樣使用。

　　(3)自定義控制組件設計

　　Altera公司提供了使用第3方核的簡(jiǎn)單接口。只要符合這些接口規范，就可以使用各種IP核進(jìn)行SOPC設計。

　　由于A(yíng)ltera公司并未直接提供硬盤(pán)、CAN控制器、USB及2個(gè)CPU握手模塊等接口，因此必須自己設計接口連接各種器件和處理器。這些接口既要符合Avalon總線(xiàn)規范，又要滿(mǎn)足各種器件的工作時(shí)序。圖3為點(diǎn)播服務(wù)器系統在SOPC Builder工作窗口中的截取圖。