【正文】 系統(tǒng)的性能及可靠性受到嚴重影響。隨著高性能系統(tǒng)對系統(tǒng)復雜度、處理速度、功耗、功能多樣化的要求，在現(xiàn)代信息處理與通信系統(tǒng)如網(wǎng)絡、多媒體、移動通信和其它電子系統(tǒng)中迫切需要開發(fā)高性能的片上系統(tǒng)。而 Nios II，正是一個優(yōu)秀的選擇。 Nios II 處理器具有完善的軟件開發(fā)套件，包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境（ IDE） 、 JTAG 調試器、實時操作系統(tǒng)（ RTOS）和 TCP/IP 協(xié)議棧。設計者能夠用 Altera Quartus II 開發(fā)軟件中的 SOPC Builder 系統(tǒng)開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加 Nios II 處理器核的數(shù)量。長期以來， Altera 一直推行嵌入式處理器戰(zhàn)略的原因是，隨著應用的 ASIC 開發(fā)日益受到成本的困擾， OEM 日漸轉向 FPGA 來構建自己的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中絕大多數(shù)需要一個處理器，而 Altera 正是為設計者提供了為 FPGA 優(yōu)化的靈活的嵌入式處理器方案，可以滿足 16 位和 32 位嵌入式處理器市場的需求 。 對嵌入式開發(fā)而言，開發(fā)基于 Nios II 系統(tǒng)的好處很多。 Altera DE270 多媒體開發(fā)平臺配備了數(shù)量高達 70,000 個邏輯單元的 Altera Cyclone174。 II 2C70，并完全承襲了 Altera DE2 多媒體平臺豐富的多媒體、儲存及網(wǎng)絡等應用接口的優(yōu)點。此開發(fā)平臺提供多樣的產(chǎn)品功能，在廣泛的電路設計運用上，從簡易的電路設計，到多樣化的多媒體項目，使用者都能輕易完成。 基于 Nios II 的系統(tǒng)實現(xiàn)了設計的可復用 性，即使是同樣一塊開發(fā)板，根據(jù)載入的代碼不同，可以實現(xiàn)不同的應用。這也是縮短開發(fā)周期、加快產(chǎn)品上市時間的一條捷徑。本系統(tǒng)方案設計 為基于 Nios II 處理器的游戲開發(fā)奠定了技術基礎。 第 3 頁 研究的基礎、背景和現(xiàn)狀 本題研究背景 ： 在集成電路發(fā)展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫，使得集成電路設計從器件級進入邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與集成電路設計，極大地推動了 IC 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路不是最終產(chǎn)品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。 IC 芯 片是通過印刷電路板(PCB)等技術實現(xiàn)整機系統(tǒng)的。盡管 IC 的速度可以很高、功耗可以很小，但由于 PCB 板中IC 芯片之間的連線延時、 PCB 板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。 隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于 IC設計與工藝技術水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，己經(jīng)可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯 片 。 正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個 系統(tǒng)集成在一個集成電路芯片上的系統(tǒng)芯片 (System On Chip，簡稱 SOC)概念。系統(tǒng)芯片與集成電路的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命。 SOC 是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、軟件 (特別是芯片上的操作系統(tǒng) —— 嵌入式的操作系統(tǒng) )、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設計必須從系統(tǒng)行為級開始自頂向下。 本題研究的 基礎： 游戲電子產(chǎn)品屬于嵌入式應用的一個重要門類，嵌入式系統(tǒng)的核心是 CPU，以往采用的嵌入式 CPU 都是硬核器件，比如摩托羅拉 公司的 Coldfire, PowerPC等。最近幾年出現(xiàn)了在 FPGA 片內(nèi)實現(xiàn)的軟核 CPU。硬核 CPU 以硅片的形式提交給用戶，而軟核 CPU則以設計文件的形式交付給用戶，用戶再根據(jù)自己的需求將其固化在 FPGA 芯片內(nèi)這種新出現(xiàn)的技術有著非常廣闊的應用前景。 本題研究的現(xiàn)狀 ：隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程邏輯器件、 EDA 技術、嵌入式系統(tǒng)、 SOC、 SOPC、 IP、核等新概念和新技術層出不窮，新技術的應用迅速滲透到電子、通信、信息、機械制造、儀器儀表、航空航天、家用電器等領域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和 社會信息化程度的提高。 軟核 CPU的本質是一段實現(xiàn)特定功能的代碼，需要一款合適的 FPGA作為載體。 Nios II若配置在 Cyclone II中，只占用 35美分的邏輯資源，若配置在 Stratix II中，可以實現(xiàn)超過20ODMIPS的高性能表現(xiàn)。在 Cyclone II中也可以達到超過 lOODMIPS的表現(xiàn)，足以與中低密度的 ASIC形成競爭。 Nios II不同于 16位指令集的 Nios，它是真正的 32位軟核 CPU，具有 32位的指令集、 32位的數(shù)據(jù)路徑和 32位的尋址空間。 Nios II脫胎于 Nios，并分化出 7三個 版本。一種是 Nios II/f，快速型；第二種是 Nios II/s，標準型；第三種是 Nios II/e，經(jīng)濟型。這三種產(chǎn)品都針對特定的價格和性能范圍進行了優(yōu)化，并都使用同樣的指令集架構 (ISA)，具有 第 4 頁 100%二進制代碼兼容性?？焖侔姹镜?Nios II具有最強的性能，其運算能力在 175MHz時鐘頻率下可達大約 200 Dhrystone MIPS(DMIPS)。它需要占用中等數(shù)量的 FPGA資源，大約 1180個邏輯單元。標準版本的性能略低于快速版本，其 175MHz時鐘頻率下的運算能力為大約90DMIPS，但只需要 占用 800個邏輯單元。經(jīng)濟版本是三種版本中性能最弱的，其運算能力在 190MHz時鐘頻率下僅能達到 28DMIPS，但它所占用的 FPGA資源最少，只需大約 400個邏輯單元?？梢愿鶕?jù)自己設計的特定需求選擇合適的軟核。如果邏輯資源充裕，那么快速版本顯然是首選。 Nios II處理器能通過 Quartus II開發(fā)軟件中的 SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具添加到設計者的系統(tǒng)中。 關于 Nios II的開發(fā)現(xiàn)狀。在 baidu或 google上用關鍵詞 Nios II搜索，只有一些概要性的介紹，并無具體的開發(fā)實例報道。也曾經(jīng)試圖 通過中國期刊網(wǎng)，以及國內(nèi)較有影響力的水木清華等高校 BBS的嵌入式開發(fā)版尋找相關資訊，但是少有收獲。這也是正常的。 Nios II是 Altera近幾年新近推出的一款通用 32位軟核 RISC CPU，目前作為開發(fā)板做教學、測試、實驗的居多，比較著名的開發(fā)實例還沒有，所以，可以說 Nios II還處于開始階段。作為 Altera免費提供的 IP(intellectual property)，根據(jù) Altera自己提供的資料， Nios II軟核在配合 Stratix II系列 FPGA的情況下，可以實現(xiàn)超過 20ODMIPS的性能表 現(xiàn)。有這樣美味的免費大餐可以吃，相信今后會有越來越多的人會加入 Nios II開發(fā)者的行列。 簡要介紹一下國內(nèi)外的幾款 Nios開發(fā)實例： ①無線閱讀器 把 Nios嵌入低成本 FPGA Cyclone中，有小型化和低功耗兩大特點，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和無線接收的功能。 ②光多業(yè)務節(jié)點 這是一款阿爾卡特開發(fā)的用于同步數(shù)字序列傳輸?shù)漠a(chǎn)品。利用 Nios的定制指令功能和同步多 Master總線結構 (Avalon)，實現(xiàn)了吉比特 (Gigabite)速率碼流的可靠傳輸。 ③ ISDN協(xié)議處理器 飛利浦公司把 Nios處理器運用于綜合業(yè)務數(shù) 字網(wǎng)的協(xié)議處理器的在線更新。這一應用極大的提高了視頻會議和 IP網(wǎng)關服務的可靠性。 ④數(shù)碼相機中的通用控制處理器 柯達公司在某型號的數(shù)碼相機中成功的應用了 Nios處理器，作為 DC的控制中樞。 ⑤國內(nèi) 對 Nios的最高應用可能是某保密項目，該款應用同時使用了八個 Nios軟核，把Avalon總線的多 master功能發(fā)揮的淋漓盡致。 可以說， Nios是相當成功的。對比 Nios，它的第二代 Nios II處理器更是青出于藍而勝于藍。 Nios II具備更強大的靈活性、更高的性能、更低的成本、占用更少的資源，能夠滿足各種嵌 入式應用的性能要求。并且， Altera提供了更易用的 Nios II開發(fā)套件提供給客戶。Altera曾將其兩代軟核做了對比，結果顯示 Nios II只用了 50%的邏輯單元就實現(xiàn)了 2倍于 Nios的性能。 第 5 頁 應用的相關技術 SOPC 技術 SOPC（ SystemonaProgrammableChip） 即可編程片上系統(tǒng) ， 用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作 SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng) （ SOPC） 是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（ SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其 次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。 因此，著名的可編程邏輯器件生產(chǎn)廠家美國 Altera 公司提出了基于 PLD 的 SOC 設計方案 —— SOPC。 近年來 SOPC 技術已成為備受眾多中小企業(yè)、研究所和大 學 院校青睞的設計技術。SOPC（ System on a Programmable Chip）成為可編程片上系統(tǒng)，是 Altera 公司提出的一種靈活、高校的 SOC 解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同設計的系統(tǒng)設計技術。 SOPC 集成了硬核或軟核 CPU、 DSP、鎖相環(huán)（ PLL）、存儲器、 I/O 接口及可編程邏輯，可以靈活高效地解決 SOC 方案，而且設計周期短，設計成本低。 Nios II 是一種軟核（ SoftCore）處理器，軟核處理器最大的特點就是可由用戶需要進行設置。與專用 CPU 不同的是， Nios II 是一個用戶可以自行定制的 CPU，用戶可以增加新的外設、新的指令，分配外設的地址等。 Nios II 的硬件開發(fā)就是由用戶制定適合的 CPU 外設， Altera 公司的 SOPC Builder 提供了大量的IP Core 來加快 Nios II 外設的開發(fā)速度。綜合來看， SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術 融合的結果，可以認為 SOPC 代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向，對 SOPC 進行深入的研究不僅有利于半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時對微電子技術和計算機技術的發(fā)展也具有重要的意義。 SOPC 技術主要應用以下三個方向 ： 1）基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中預先植入處理器。這使得 FPGA 靈活的硬件設計與處理器的強大軟件功能有機地結合在一起，高效地實現(xiàn) SOPC 系統(tǒng)。 2）基于 FPGA 嵌入 IP 軟核 的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中植入軟核處理器，如： NIOS II 核等。用戶可以根據(jù)設計的要求，利用相應的 EDA 工具，對 NIOS II 及其外圍設備進行構建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結構、功能特點、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設計的要求。 3）基于 HardCopy 技術的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指將成功實現(xiàn)于 FPGA 器件上的 SOPC 系統(tǒng)通過特定的技術直接向 ASIC 轉化。把大容量 FPGA 的靈活性和 ASIC的市場優(yōu)勢結合起來，實現(xiàn)對于有較大批量要求并對成本敏感的電子產(chǎn)品 ，避開了直接設計 ASIC 的困難。 本設計是基于 FPGA 嵌入 IP 軟核 的應用 ，在硬件設計中植入 NIOS II 軟核處理器，根據(jù)俄羅斯方塊的設計要求，對 對 NIOS II 及其外圍設備進行構建 。 第 6 頁 開發(fā)環(huán)境 1. Quartus II Quartus II 是 Altera 公司的綜合性 PLD 開發(fā)軟件，支持原理圖、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language） 等多種設計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整 PLD 設計流程。 Quartus II 是繼承 Altera Max+plus II 后的新一代開發(fā)工具，適合大規(guī)模 FPGA的開發(fā)。 Quartus II 提供了更優(yōu)化的綜合和適配的功能，改善了對第三方仿真和時序分析工具的支持。 Quartus II 還包含 DSP Builder 和 SOPC Builder 等開發(fā)工具，支持系統(tǒng)級的開發(fā)，支持 NIOS II 嵌入式核 IP 核和用戶自定義邏輯。 Quartus II 支持 Altera的 IP 核，包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性、加快了設計速度。 SOPC Builder 是 Quartus II 開發(fā)套件之一，支持 NIOS II 嵌入式核的開發(fā)與調試，可設置 、評估 SOPC 體系結構。 SOPC Builder 避免了手動系統(tǒng)集成任務，使設計者能夠將精力集中在定制用戶邏輯設計上，在更高級抽象層上進行設計。 SOPC Builder能夠定制常用的 SOPC Builder 組件、 IP 核，高效地連接外部處理器和 SOPC Builder可用 IP 庫，自動生成系統(tǒng) HDL，形成優(yōu)化的系統(tǒng)架構。 SOPC Builder 評估 自動系統(tǒng)開發(fā)工具提供了強大的開發(fā)平臺，可構成包括處理器、外設和存儲器接口等常用系統(tǒng)組成的總線系統(tǒng)。 通過 Altera Quartus II 開發(fā)軟件中的 SOPC Builder 系統(tǒng)開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并