基于Nios II內(nèi)核的SOPC開發(fā)板的設(shè)計(jì)

隨著 EDA 技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱FPGA)的性能有了大幅度的提高，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)水平也達(dá)到了一個(gè)新的高度。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)當(dāng)前設(shè)計(jì)的需要?；?FPGA 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的靈活性，以 Altera 公司開發(fā)的 Nios II 軟核處理器為核心的SOPC(System on Programmable Chip)系統(tǒng)便是把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在 FPGA 上的典型例子。

Nios II開發(fā)板的實(shí)現(xiàn)

SOPC開發(fā)板的核心器件是Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，其關(guān)鍵技術(shù)是在Quartus II、SOPC Builder及Nios IDE平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)可配置、可剪裁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 Nios II軟核處理器的特點(diǎn)

Nios II系列32位 RISC 嵌入式處理器具有很大的靈活性，可以在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，達(dá)到性能、特性和成本目標(biāo)。其具有超過(guò)200DMIP的性能。

Nios II系列嵌入式處理器是一款采用流水線技術(shù)、單指令流的RISC CPU，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。Nios II 包括三種內(nèi)核，即快速的 Nios II/f (最高性能的優(yōu)化)內(nèi)核、經(jīng)濟(jì)的 Nios II/e (最小邏輯占用的優(yōu)化)內(nèi)核以及標(biāo)準(zhǔn)的 Nios II/s (平衡于性能和尺寸)內(nèi)核，每種內(nèi)核根據(jù)不同的性能而優(yōu)化。

考慮到性能和成本，通常采用 Nios II 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)計(jì)。Nios II 嵌入式CPU支持32位指令集、32位數(shù)據(jù)線寬度、32個(gè)通用寄存器、32個(gè)外部中斷源、2GB尋址空間，包含高達(dá)256個(gè)用戶自定義的 CPU 定制指令。其可選的片上 JTAG 調(diào)試模塊是基于邊界測(cè)試的調(diào)試邏輯，支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)和片外片內(nèi)的調(diào)試跟蹤。Nios II 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1  Nios II 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核設(shè)計(jì)框圖

2 SOPC 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

SOPC技術(shù)是一種靈活、高效的片上系統(tǒng)SOC設(shè)計(jì)方案，其工作環(huán)境是Altera Quarlus II中的SOPC Builder。與其他SOC設(shè)計(jì)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可編程性，利用FPGA的可編程性進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)。通過(guò)采用SOPC Builder工具，用戶可以很方便地將處理器、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)連接起來(lái)，組成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)。SOPC從內(nèi)部的角度，主要包含兩個(gè)部分：圖形用戶界面（GUI）和系統(tǒng)生成程序。圖形用戶界面內(nèi)每個(gè)組件也可以提供自己的配置圖形用戶界面，GUI 創(chuàng)建系統(tǒng)PTF文件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述；生成程序創(chuàng)建針對(duì)目標(biāo)器件的系統(tǒng)HDL描述。利用SOPC Builder創(chuàng)建的GUI如圖2所示。

圖2  SOPC Builder GUI界面

SOPC開發(fā)板設(shè)計(jì)實(shí)例

SOPC開發(fā)板選擇Cyclone系列器件EP1C3，該器件基于成本優(yōu)化的全銅1.5V SRAM工藝，容量為2910個(gè)邏輯單元，59904比特嵌入式RAM，支持單端I/O標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)LVDS標(biāo)準(zhǔn)可提供104個(gè)信道的I/O支持。利用鎖相環(huán)（PLL）可設(shè)計(jì)復(fù)雜的時(shí)鐘管理電路。

1 開發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)

開發(fā)板主要包括以下幾部分：4個(gè)七段共陽(yáng)數(shù)碼管、4個(gè)LED、2個(gè)RS232接口、1個(gè)USB接口、1個(gè)PS2接口、LCD接口（192×64）、蜂鳴器和25MHz有源晶振，下載電路包括JTAG方式和AS方式，采用EPCS1作為串行配置器件。硬件原理框圖如圖3所示，下載電路如圖4所示。

圖3  開發(fā)板硬件原理框圖

圖4  JTAG與AS下載方式

2 Nios II內(nèi)核設(shè)計(jì)實(shí)例

Nios II內(nèi)核的設(shè)計(jì)是建立在Quartus II、SOPC Builder和Nios IDE等開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)上的，Nios CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)流程如圖5所示，生成的Nios CPU內(nèi)核如圖6所示。

圖5  Nios CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)流程圖

圖6  Nios CPU內(nèi)核實(shí)例

結(jié)束語(yǔ)

利用Nios II軟核處理器的優(yōu)勢(shì)，在FPGA內(nèi)部嵌入可定制的CPU，使用戶可以根據(jù)需求來(lái)靈活的配置系統(tǒng)，即節(jié)約了成本，又加快了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度，且易于升級(jí)改進(jìn)。本文提出的基于Nios II內(nèi)核的SOPC開發(fā)板的設(shè)計(jì)給 Nios II的應(yīng)用提供了一個(gè)有效的硬件平臺(tái)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但由于EP1C3內(nèi)部RAM資源有限，需外擴(kuò)RAM和FLASH才能滿足更多開發(fā)和應(yīng)用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，開發(fā)板上已經(jīng)預(yù)留出外擴(kuò)接口，可以滿足用戶設(shè)計(jì)上更多的需求。