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]

3 Nios II 在汽車行駛記錄儀中的應(yīng)用

汽車行駛記錄儀是對(duì)車輛行駛速度、時(shí)間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其它狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)并可通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。

采用基于嵌入式處理器Nios II的SOPC技術(shù)來設(shè)計(jì)汽車行駛記錄儀的優(yōu)勢(shì)如下：

汽車行駛記錄儀需要存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)，必要時(shí)還需具備顯示和警報(bào)功能，系統(tǒng)接口較多，SOPC Builder提供了大量的接口IP核供用戶選擇，使得設(shè)計(jì)方便快捷，能夠大大的縮短開發(fā)工期。

汽車行駛記錄儀因其特殊的工作環(huán)境，要求盡可能的減小產(chǎn)品體積并提高系統(tǒng)的可靠性，SOPC的特點(diǎn)就是在FPGA上高度集成，盡量減少芯片外部連線，十分符合汽車行駛記錄儀對(duì)體積和可靠性的要求。

汽車行駛記錄儀應(yīng)該具備適應(yīng)用戶需求變化的能力，具備良好的可擴(kuò)展性和升級(jí)特性。可編程邏輯器件FPGA以及Nios II的特點(diǎn)使得通過對(duì)軟件代碼的更新就可以完成系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

3.1 硬件平臺(tái)的搭建

根據(jù)汽車行駛記錄儀的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為四個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖1中各部分的功能如下：

Nios II系統(tǒng)模塊：中央控制單元。包含Nios II處理器，Avalon總線，中斷時(shí)鐘以及與外設(shè)的接口。控制程序由運(yùn)行在Nios II CPU上的軟件完成，負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集，處理和存儲(chǔ)操作，并控制通信過程;

信號(hào)輸入部分：接收外部傳感器和開關(guān)量信號(hào)，并進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送到Nios II系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)采集端口(PIO);

存儲(chǔ)器部分：存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù);

通信模塊：采用RS-232，負(fù)責(zé)與分析儀之間的通信。

根據(jù)各個(gè)部分的功能和開發(fā)板的配置(本項(xiàng)目所用的開發(fā)板為Stratix 1s10，F(xiàn)PGA的型號(hào)為：EP1S10F780C6)，需要用到的外圍器件有：對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC0809;用于試驗(yàn)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的 SRAM存儲(chǔ)器;用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)備份的Flash存儲(chǔ)器;裝載軟件程序、異常處理的SDRAM存儲(chǔ)器;記錄儀與分析儀之間的通信接口RS232;用于超速報(bào)警的LED;等等。

按照系統(tǒng)的硬件規(guī)劃，在SOPC Builder需要添加如下IP模塊：

l Nios II 32位CPU 軟核處理器;

l Interval_timer 中斷時(shí)鐘，每0.2秒發(fā)出中斷;

l Keydoor_pio 接收鑰匙門信號(hào)的輸入;

l Power_off_pio 接收掉電信號(hào)的輸入;

l Vehicle_speed_pio 連接車速傳感器輸出脈沖計(jì)數(shù)器的輸出端;

l Over_speed_alarm_pio連接超速報(bào)警LED;

l Rotate_speed_pio 連接曲軸傳感器輸出脈沖計(jì)數(shù)器的輸出端;

l Initial_pio 系統(tǒng)復(fù)位端口;

l Adc_control_pio ADC 0809控制端口;

l Adc_eoc_pio連接ADC 0809轉(zhuǎn)換結(jié)束指示引腳;

l Adc_data_pio 連接ADC 0809的8個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳;

l Switch_input_pio 接收開關(guān)量的輸入;

l Sdram 軟件程序，異常處理存儲(chǔ)器;

l Ext_ram_bus 外部存儲(chǔ)器總線;

l Ext_ram 外部RAM接口;

l Ext_flash 外部flash接口;

l Uart通用異步接收發(fā)送器，實(shí)現(xiàn)RS_232接口;

l Jtag_uart 調(diào)試用接口;

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

汽車行駛記錄儀的各種應(yīng)用功能是由C/C++語言編寫的軟件程序來完成。在Nios II IDE中新建一個(gè)工程時(shí)，系統(tǒng)會(huì)針對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)自動(dòng)生成硬件抽象層的應(yīng)用程序接口(HAL API)供程序編寫人員調(diào)用。

汽車行駛記錄儀的工作過程如下：

1.汽車行駛過程中，記錄儀每0.2秒采集并記錄事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù);每分鐘記錄行駛狀態(tài)數(shù)據(jù);在記錄的過程中要記錄最高車速。

2. 汽車停駛時(shí)，記錄儀并沒有停止工作，但此時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄。在停車過程中，分析儀可以采集記錄儀的數(shù)據(jù)。

3.車輛，駕駛員基本信息采取系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)置進(jìn)記錄儀的形式。

4.記錄儀是否采集數(shù)據(jù)用鑰匙門控制，接收到鑰匙門啟動(dòng)車輛的信號(hào)，記錄儀開始記錄;接收到鑰匙門的熄火信號(hào)，停止記錄。

5.記錄儀掉電，備份數(shù)據(jù)，停止工作。

根據(jù)上述記錄儀的工作過程，軟件程序整體流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 汽車行駛記錄儀工作整體流程圖

結(jié)論：本文所介紹的新一代汽車行駛記錄儀，采用了基于嵌入式處理器Nios II的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠更完整，更精確，更多樣化的記錄汽車在行駛過程中的各種數(shù)據(jù)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取得了較滿意的效果。在設(shè)計(jì)過程中大量復(fù)用成熟的IP軟核，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，充分體現(xiàn)了IP復(fù)用技術(shù)帶來的好處。