基于嵌入式處理器軟核Nios II的IP復(fù)用技術(shù)及應(yīng)用

引言：

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，有硬核和軟核之分。其中，嵌入式處理器軟核以其更大的使用靈活性，更低廉的成本，受到了研發(fā)人員和市場(chǎng)的廣泛歡迎。Altera公司最新推出的嵌入式處理器軟核Nios II更是軟核處理器中的先進(jìn)代表，它已經(jīng)快速的滲透到教學(xué)、科研以及生產(chǎn)等各個(gè)方面，積極的推動(dòng)著嵌入式技術(shù)、SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的發(fā)展。

1 Nios II 簡(jiǎn)介

二十世紀(jì)九十年代末，可編程邏輯器件（PLD）的復(fù)雜度已經(jīng)能夠在單個(gè)可編程器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，可編程片上系統(tǒng)（SOPC）已成為現(xiàn)實(shí)。Altera將可編程器件的優(yōu)勢(shì)拓展到嵌入處理器的開發(fā)設(shè)計(jì)中，推出了成功的產(chǎn)品。

2000年，Altera發(fā)布了Nios處理器，這是Altera Excalibur嵌入處理器計(jì)劃中的第一個(gè)產(chǎn)品，是第一款用于可編程邏輯器件的可配置軟核處理器。

2004年6月，Altera公司在第一代Nios取得巨大成功的基礎(chǔ)上，又推出了更加強(qiáng)大的Nios II嵌入式處理器。它采用32位的RISC指令集，32位數(shù)據(jù)通道，5級(jí)流水線技術(shù)，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一條指令的處理。與Nios相比，Nios II處理器擁有更高的性能和更小的FPGA占用率，并且提供了強(qiáng)大的軟件集成開發(fā)環(huán)境Nios II IDE，所有軟件開發(fā)任務(wù)包括編輯、編譯、調(diào)試程序和下載都可以在該環(huán)境下完成。

Altera公司將Nios II處理器以IP（ Intellectual Property知識(shí)產(chǎn)權(quán)）核的方式提供給設(shè)計(jì)者，有快速型(Nios II/f)、經(jīng)濟(jì)型(Nios II/e)和標(biāo)準(zhǔn)型(Nios II/f)三種處理器內(nèi)核，每種內(nèi)核都對(duì)應(yīng)不同的性能范圍和資源成本。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際的情況來選擇和配置處理器內(nèi)核，輕松的創(chuàng)建一款“完美”的處理器。

2 Nios II系統(tǒng)的開發(fā)流程

Nios II系統(tǒng)的開發(fā)主要可以分為兩大步：搭建硬件平臺(tái)和針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)編寫應(yīng)用軟件程序。

Altera公司設(shè)計(jì)的開發(fā)工具SOPC Builder，將所有和處理器子系統(tǒng)相關(guān)的底層詳細(xì)資料集中到這個(gè)工具中，讓用戶完全置身于直觀的圖形界面下添加和配置所需的處理器和功能部件，并自動(dòng)完成包含定義存儲(chǔ)器映射、中斷控制和總線控制在內(nèi)的系統(tǒng)配置工作，使得開發(fā)工作簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)者能夠更加著眼于系統(tǒng)的功能而無須拘泥于過多的細(xì)節(jié)。

集成于SOPC Builder中的Nios II IDE，采用絕大部分設(shè)計(jì)者非常熟悉的標(biāo)準(zhǔn)GNU環(huán)境，能夠讓設(shè)計(jì)者在其中完成所有的軟件開發(fā)任務(wù)。

搭建硬件平臺(tái)所需的工作如下：

（1）硬件開發(fā)的主要工作是構(gòu)建Nios II系統(tǒng)模塊。在SOPC Builder中選取合適的CPU、存儲(chǔ)器以及外圍器件（如片內(nèi)存儲(chǔ)器、PIO、UART和片外存儲(chǔ)器接口），并通過參數(shù)的設(shè)計(jì)定制它們的功能。

部件選擇完成后，使用Quartus II軟件選取具體的Altera可編程器件系列，并對(duì)SOPC Builder生成的HDL設(shè)計(jì)文件進(jìn)行布局布線，生成Nios II系統(tǒng)模塊；

（2）將生成的Nios II系統(tǒng)模塊加入到Quartus II工程下的頂層設(shè)計(jì)文件，為Nios II系統(tǒng)模塊的I/O端口分配管腳或者連接FPGA內(nèi)部邏輯。I/O管腳分配后，進(jìn)行編譯，系統(tǒng)生成配置文件；

（3）使用Quartus II編程器和Altera下載電纜，下載配置文件到開發(fā)板。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)校驗(yàn)完成后，可以將配置文件下載到開發(fā)板上的非易失存儲(chǔ)器里。

下載完硬件配置文件后，軟件開發(fā)者就可以把此開發(fā)板作為軟件開發(fā)的初期硬件平臺(tái)對(duì)軟件功能進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證。

軟件開發(fā)流程歸納如下：

（1）在用SOPC Builder進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，就可以開始編寫?yīng)毩⒂谄骷腃/C++軟件，比如算法或控制程序，并可以使用現(xiàn)成的軟件庫和開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核來加快開發(fā)進(jìn)程。

（2）在NIOS II IDE中建立新的軟件工程，這時(shí)，IDE會(huì)針對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)自動(dòng)生成一個(gè)定制HAL系統(tǒng)庫，這個(gè)庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅(qū)動(dòng)程序。

（3） 使用NIOS II IDE對(duì)軟件工程進(jìn)行編譯、調(diào)試，運(yùn)行。[1]