基于DSP的SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)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(guī)DSP處理器功能的NiosII系統(tǒng)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(shè)計(jì)并生成復(fù)數(shù)乘法器、整數(shù)乘法器和浮點(diǎn)乘法器等硬件模塊，將它們定制為相應(yīng)的指令，從而將軟件的靈活性和硬件的高速性結(jié)合起來(lái)，較好地解決了傳統(tǒng)DSP處理器所面臨的速度問(wèn)題、硬件結(jié)構(gòu)不可重構(gòu)性問(wèn)題、開(kāi)發(fā)升級(jí)周期長(zhǎng)和不可移植性等問(wèn)題。

　　隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)工具軟件的發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)SOPC的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法成為了一種趨勢(shì)。為了解決傳統(tǒng)DSP處理器所面臨的速度問(wèn)題、硬件結(jié)構(gòu)不可重構(gòu)性問(wèn)題、開(kāi)發(fā)升級(jí)周期長(zhǎng)和不可移植性等問(wèn)題，我們應(yīng)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(guī)
DSP處理器功能的Nios II系統(tǒng)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(jù)設(shè)計(jì)要求，利用Quar-tusII和SOPC Builder對(duì)NiosII及其外圍系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)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(shè)計(jì)，為Nios II嵌入式處理器設(shè)計(jì)各類(lèi)硬件模塊，并以指令的形式加入Nios II的指令系統(tǒng)，從而成為Nios II系統(tǒng)的一個(gè)接口設(shè)備，與整個(gè)片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)融為一體，而不是直接下載到FPGA中生成龐大的硬件系統(tǒng)。正是Nios II所具有的這些重要特點(diǎn)，使得可重構(gòu)單片DSP處理器功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)為單片DSP可重構(gòu)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(jī)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(hào)和數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的硬件功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。除了軟核處理器Nios II外，存儲(chǔ)器和I／O接口以及FIR數(shù)字濾波器、IIR數(shù)字濾波器和DDS等應(yīng)用模塊均可作為外設(shè)嵌入在FPGA中。這樣，整個(gè)DSP的數(shù)字信號(hào)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(tǒng)中有Avalon總線，它規(guī)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(shù)字頻率合成器DDS通過(guò)Avalon總線與Nios II處理器相連，能很方便地完成控制及數(shù)據(jù)傳送。

　　本系統(tǒng)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(jié)構(gòu)以及復(fù)雜設(shè)計(jì)的時(shí)鐘管理電路。選用超高速10位D／A轉(zhuǎn)換器565l實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速率最高為150 MHz。整個(gè)系統(tǒng)在Nios II處理器的控制下，可實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波、IIR數(shù)字濾波、快速傅里葉變換(FFT)算法、編／解碼、DDS功能模塊設(shè)計(jì)，以及由它構(gòu)成的數(shù)控頻率調(diào)制、正交載波調(diào)制解調(diào)、數(shù)控相位調(diào)制等功能的信號(hào)發(fā)生器。

　　系統(tǒng)中各功能模塊的選擇，以及輸出信號(hào)調(diào)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(gòu)建一個(gè)具有常規(guī)DSP處理器功能的Nios II系統(tǒng)。

　　2 Nios II嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)(SOPC)設(shè)計(jì)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總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強(qiáng)的內(nèi)存、調(diào)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(shù)據(jù)通道和可配置的指令及數(shù)據(jù)緩沖。與普通嵌入式CPU系統(tǒng)的特性不同，其外設(shè)可以靈活選擇或增刪，可以自定制用戶(hù)邏輯為外設(shè)，可以允許用戶(hù)定制自己的指令集。由硬件模塊構(gòu)成的自定制指令可通過(guò)硬件算法操作來(lái)完成復(fù)雜的軟件處理任務(wù)，也能訪問(wèn)存儲(chǔ)器或Nios II系統(tǒng)外的接口邏輯。設(shè)計(jì)者可以使用Nios II加上外部的Flash、SRAM等，在FPGA上構(gòu)建一個(gè)嵌入式處理器系統(tǒng)。

　　完整的基于Nios II的SOPC系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件復(fù)合的系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可分為硬件和軟件兩部分。Nios II的硬件設(shè)計(jì)是為了定制合適的CPU和外設(shè)，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(shè)的速度，提高外設(shè)性能；也可使用第三方的IP核，或VHDL自己來(lái)定制外設(shè)。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(shè)系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、外設(shè)地址映射等相對(duì)應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)包SDK；在生成的SDK基礎(chǔ)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(shè)計(jì)，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(diào)試。