單片DSP處理器功能系統(tǒng)的SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)

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、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，可以自定制用戶邏輯為外設(shè)，可以允許用戶定制自己的指令集。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。可使用匯編或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。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括3個(gè)部分：FPGA部分、存儲(chǔ)器部分和外圍元器件部分。FPGA部分是建立在FPGA內(nèi)的，在SOPC Buider中需要設(shè)計(jì)的就是該部分。其中包含1個(gè)NiosII CPU核，1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，1個(gè)Avalon總線控制器，連接Nios II核的下載和調(diào)試程序的JTAG_UART通信模塊，DDS接口模塊及DDS模塊，F(xiàn)IR、IIR數(shù)字濾波器接口模塊及功能模塊，編解碼模塊及接口模塊，以及Flash存儲(chǔ)器模塊等。其設(shè)計(jì)與一般的嵌入式開(kāi)發(fā)不同，可在Nios II核外(但還在同一個(gè)FPGA芯片內(nèi))加入相應(yīng)的外設(shè)模塊核，并通過(guò)在片上的Avalon總線與Nios II相連。為使具有DSP處理器功能的Nios II系統(tǒng)正常工作，在FPGA外圍接有一些控制鍵，以調(diào)度各模塊的應(yīng)用。

3．1 建立Nios II嵌入式處理器系統(tǒng)
首先，利用Quartus II建立項(xiàng)目工程，選用的目標(biāo)器件為Cyclone EPIC12；再用SOPC Bider創(chuàng)建Nios II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Nios II硬件系統(tǒng)下載文件；然后建立Nios II嵌入式系統(tǒng)，從SOPC Buider組件欄中加入所需的組件(如Nios IICPU核、定時(shí)器Timer、JTAG_UART、Avalon三態(tài)總線橋、鍵輸入I／O口和Flash等)。另外，為了實(shí)現(xiàn)NiosII處理器對(duì)EPCS Flash存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)訪問(wèn)，還要加入一個(gè)EPCS Serial F1ash Controller組件。通過(guò)此控制器將用于FPGA配置的SOF文件和CPU運(yùn)行的軟件一并存于EPCS器件中，以便大大簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。為了保證所有組件的地址安排是合法的，要對(duì)各組件地址實(shí)行自動(dòng)分配；最后進(jìn)行全程編譯(即分析、綜合、適配和輸出文件裝配)，完成Nios II硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
在Nios II硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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Nios II IDE軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

3.2 DSP處理器功能系統(tǒng)的建立
使用DSP Buider在FPGA上進(jìn)行DSP模塊的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高速DSP處理。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，除了要求DSP高速外，由于DSP處理的算法往往比較復(fù)雜，如果單純使用DSP Bider來(lái)實(shí)現(xiàn)純硬件的DSP模塊，會(huì)耗費(fèi)過(guò)多的硬件資源，因此有時(shí)也無(wú)法完成許多算法復(fù)雜的模型。而Nios II則是一個(gè)建立在FPGA上的嵌入式微處理器軟核，它有一個(gè)重要的特性是具有自定制指令。在DSP算法中會(huì)反復(fù)出現(xiàn)一些運(yùn)算(如復(fù)數(shù)乘法器、整數(shù)乘法器、浮點(diǎn)乘法器等)，而在通用的CPU中都沒(méi)有專門(mén)用于復(fù)數(shù)乘法計(jì)算和浮點(diǎn)乘法計(jì)算的相關(guān)指令。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用MATLAB、DSP Buider或者VHDL設(shè)計(jì)并生成復(fù)數(shù)乘法器、整數(shù)乘法器、浮點(diǎn)乘法器等硬件模塊。在Quartus II環(huán)境中對(duì)上述文件做一些修正后，在SOPC Buider窗口中將它們定制為相應(yīng)的指令，并可設(shè)定或修改執(zhí)行該指令的時(shí)鐘周期。在進(jìn)行DSP算法運(yùn)算時(shí)，可通過(guò)匯編或C語(yǔ)言，甚至C++語(yǔ)言來(lái)運(yùn)用這些自定義指令進(jìn)行嵌入式程序設(shè)計(jì)。
根據(jù)復(fù)數(shù)運(yùn)算的算法，假設(shè)有2個(gè)復(fù)數(shù)為a+bj和c+dj，則乘法表述為：

圖2是用MATLAB、DSP Buider設(shè)計(jì)的復(fù)數(shù)乘法器模型。它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)16位的復(fù)數(shù)乘法，虛部和實(shí)部都是16位，可以用一個(gè)32位的值表示該復(fù)數(shù)。在設(shè)計(jì)中，NiosII為32位數(shù)據(jù)，正好可以放置2個(gè)復(fù)數(shù)。

要將這個(gè)復(fù)數(shù)乘法器硬件模塊設(shè)置成相應(yīng)的指令，還須進(jìn)行以下操作：
①單擊圖標(biāo)SignalCompiler對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選擇器件(用Cyclone)和Quartus II綜合器．轉(zhuǎn)換后使其生成SOPCBuider的PTF文件。
②退出MATLAB后，在Quartus II環(huán)境中對(duì)轉(zhuǎn)換后所生成的復(fù)數(shù)乘法器的頂層VHDL文件進(jìn)行修改。在SOPC Buider窗口雙擊CPU項(xiàng)，進(jìn)入“指令加入”編輯窗，將這個(gè)硬件模塊設(shè)置成自定義的復(fù)數(shù)乘法指令。
指令生成后，可利用Quartus II編輯C程序進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試成功后，在DSP算法計(jì)算中遇到復(fù)數(shù)乘法就可以運(yùn)用復(fù)數(shù)乘法指令。這種方法將常用的硬件模塊生成指令，通過(guò)軟硬件并存的設(shè)計(jì)方法在FPGA中實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的DSP算法，能夠?qū)④浖撵`活性和硬件的高速性結(jié)合起來(lái)，較好地解決了現(xiàn)代DSP設(shè)計(jì)中的諸多問(wèn)題。但對(duì)于DDS模塊，還是以硬件形式固化在FPGA中。可以根據(jù)需要，利用DDS設(shè)計(jì)出幅度、相位和頻率調(diào)制器。
另外，Nios II的外設(shè)是可任意定制的，Nios II系統(tǒng)的所有外設(shè)都是通過(guò)Avalon總線與Nios II CPU相接的。Avalon總線是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的片內(nèi)總線，Nios II通過(guò)Avalon總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在本系統(tǒng)中，采用AvalonSlave外設(shè)方式加入了自定制AvalorL總線組件A／D轉(zhuǎn)換接口模塊、D／A接口模塊，用于控制采樣A／D的工作以及高速D／A的波形數(shù)據(jù)輸出；而自定義的Avalon總線組件DDS模塊接口和DSP功能轉(zhuǎn)換控制接口，則用于Nios II CPU對(duì)DDS模塊的控制，以及通過(guò)外部鍵盤(pán)來(lái)控制DSP功能的選擇。

結(jié)語(yǔ)
整個(gè)系統(tǒng)除了A／D、D／A轉(zhuǎn)換器和控制選擇鍵盤(pán)外接外，其余都在一片F(xiàn)PGA町編程芯片中。由于有NiosII作CPU，因此既可自定義指令，也可通過(guò)Avalon總線自定義各種接口模塊組件，使整個(gè)DSP系統(tǒng)的使用靈活多樣，在現(xiàn)代DSP技術(shù)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用。