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。

　　通過Matlab和DSP Builder或直接用VHDL設計并生成復數(shù)乘法器、整數(shù)乘法器和浮點乘法器等硬件模塊，將它們定制為相應的指令，從而將軟件的靈活性和硬件的高速性結(jié)合起來，較好地解決了傳統(tǒng)DSP處理器所面臨的速度問題、硬件結(jié)構(gòu)不可重構(gòu)性問題、開發(fā)升級周期長和不可移植性等問題。

　　隨著微電子技術和計算機工具軟件的發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)SOPC的設計理念和設計方法成為了一種趨勢。為了解決傳統(tǒng)DSP處理器所面臨的速度問題、硬件結(jié)構(gòu)不可重構(gòu)性問題、開發(fā)升級周期長和不可移植性等問題，我們應用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)設計要求，利用Quar-tusII和SOPC Builder對NiosII及其外圍系統(tǒng)進行構(gòu)建。而且用戶可通過Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述語言設計，為Nios II嵌入式處理器設計各類硬件模塊，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)的一個接口設備，與整個片內(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，使得可重構(gòu)單片DSP處理器功能系統(tǒng)的設計成為可能。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)為單片DSP可重構(gòu)系統(tǒng)，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理方面各種功能。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和數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)相應的硬件功能。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等應用模塊均可作為外設嵌入在FPGA中。這樣，整個DSP的數(shù)字信號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序。數(shù)字頻率合成器DDS通過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。

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　　本系統(tǒng)的FPGA采用Cyclone EPICl2，它有12 060個邏輯單元(LE)和2個鎖相環(huán)(PLLs)，提供6個輸出和層次時鐘結(jié)構(gòu)以及復雜設計的時鐘管理電路。選用超高速10位D／A轉(zhuǎn)換器565l實現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速率最高為150 MHz。整個系統(tǒng)在Nios II處理器的控制下，可實現(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功能模塊設計，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)制等功能的信號發(fā)生器。

　　系統(tǒng)中各功能模塊的選擇，以及輸出信號調(diào)制方式和頻率的選擇，均可通過外接的按鍵自由選擇。下面構(gòu)建一個具有常規(guī)DSP處理器功能的Nios II系統(tǒng)。

　　2 Nios II嵌入式系統(tǒng)設計流程

　　NiosII嵌入式處理器是Altera公司推出的一種專門為單芯片可編程系統(tǒng)(SOPC)設計而優(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，帶有增強的內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能，可采用匯編或C、C++等語言進行程序優(yōu)化開發(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，其外設可以靈活選擇或增刪，可以自定制用戶邏輯為外設，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硬件算法操作來完成復雜的軟件處理任務，也能訪問存儲器或Nios II系統(tǒng)外的接口邏輯。設計者可以使用Nios II加上外部的Flash、SRAM等，在FPGA上構(gòu)建一個嵌入式處理器系統(tǒng)。

　　完整的基于Nios II的SOPC系統(tǒng)是一個軟硬件復合的系統(tǒng)，因此在設計時可分為硬件和軟件兩部分。Nios II的硬件設計是為了定制合適的CPU和外設，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核來加快開發(fā)Ntos II外設的速度，提高外設性能；也可使用第三方的IP核，或VHDL自己來定制外設。完成Nios II的硬件開發(fā)后，SOPC Buider可自動生成與自定義的Nios II CPU和外設系統(tǒng)、存儲器、外設地址映射等相對應的軟件開發(fā)包SDK；在生成的SDK基礎上，進入軟件開發(fā)流程?？墒褂脜R編或C語言，甚至C++語言來進行嵌入式程序設計，使用GNU工具或其他第三方工具進行程序的編譯、鏈接及調(diào)試。