【正文】 系統(tǒng)的性能及可靠性受到嚴(yán)重影響。隨著高性能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)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(luò)、多媒體、移動(dòng)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(gè)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(diào)試器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）和 TCP/IP 協(xié)議棧。設(shè)計(jì)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(zhǎng)期以來， Altera 一直推行嵌入式處理器戰(zhàn)略的原因是，隨著應(yīng)用的 ASIC 開發(fā)日益受到成本的困擾， OEM 日漸轉(zhuǎn)向 FPGA 來構(gòu)建自己的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中絕大多數(shù)需要一個(gè)處理器，而 Altera 正是為設(shè)計(jì)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(chǎng)的需求 。 對(duì)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(tái)配備了數(shù)量高達(dá) 70,000 個(gè)邏輯單元的 Altera Cyclone174。 II 2C70，并完全承襲了 Altera DE2 多媒體平臺(tái)豐富的多媒體、儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口的優(yōu)點(diǎn)。此開發(fā)平臺(tái)提供多樣的產(chǎn)品功能，在廣泛的電路設(shè)計(jì)運(yùn)用上，從簡(jiǎn)易的電路設(shè)計(jì)，到多樣化的多媒體項(xiàng)目，使用者都能輕易完成。 基于 Nios II 的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的可復(fù)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(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。這也是縮短開發(fā)周期、加快產(chǎn)品上市時(shí)間的一條捷徑。本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 為基于 Nios II 處理器的游戲開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 第 3 頁 研究的基礎(chǔ)、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(shè)計(jì)都從器件的物理版圖設(shè)計(jì)入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫，使得集成電路設(shè)計(jì)從器件級(jí)進(jìn)入邏輯級(jí)，這樣的設(shè)計(jì)思路使大批電路和邏輯設(shè)計(jì)師可以直接參與集成電路設(shè)計(jì)，極大地推動(dòng)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(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)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(shí)、 PCB 板可靠性以及重量等因素的限制，整機(jī)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(luò)化、移動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于 IC設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，己經(jīng)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯 片 。 正是在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個(gè) 系統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路芯片上的系統(tǒng)芯片 (System On Chip，簡(jiǎn)稱 SOC)概念。系統(tǒng)芯片與集成電路的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。 SOC 是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)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(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。它的設(shè)計(jì)必須從系統(tǒng)行為級(jí)開始自頂向下。 本題研究的 基礎(chǔ)： 游戲電子產(chǎn)品屬于嵌入式應(yīng)用的一個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)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(shù)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 本題研究的現(xiàn)狀 ：隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件、 EDA 技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、 SOC、 SOPC、 IP、核等新概念和新技術(shù)層出不窮，新技術(shù)的應(yīng)用迅速滲透到電子、通信、信息、機(jī)械制造、儀器儀表、航空航天、家用電器等領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和 社會(huì)信息化程度的提高。 軟核 CPU的本質(zhì)是一段實(shí)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(shí)現(xiàn)超過20ODMIPS的高性能表現(xiàn)。在 Cyclone II中也可以達(dá)到超過 lOODMIPS的表現(xiàn)，足以與中低密度的 ASIC形成競(jìng)爭(zhēng)。 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(gè) 版本。一種是 Nios II/f，快速型；第二種是 Nios II/s，標(biāo)準(zhǔn)型；第三種是 Nios II/e，經(jīng)濟(jì)型。這三種產(chǎn)品都針對(duì)特定的價(jià)格和性能范圍進(jìn)行了優(yōu)化，并都使用同樣的指令集架構(gòu) (ISA)，具有 第 4 頁 100%二進(jìn)制代碼兼容性?？焖侔姹镜?Nios II具有最強(qiáng)的性能，其運(yùn)算能力在 175MHz時(shí)鐘頻率下可達(dá)大約 200 Dhrystone MIPS(DMIPS)。它需要占用中等數(shù)量的 FPGA資源，大約 1180個(gè)邏輯單元。標(biāo)準(zhǔn)版本的性能略低于快速版本，其 175MHz時(shí)鐘頻率下的運(yùn)算能力為大約90DMIPS，但只需要 占用 800個(gè)邏輯單元。經(jīng)濟(jì)版本是三種版本中性能最弱的，其運(yùn)算能力在 190MHz時(shí)鐘頻率下僅能達(dá)到 28DMIPS，但它所占用的 FPGA資源最少，只需大約 400個(gè)邏輯單元?？梢愿鶕?jù)自己設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者的系統(tǒng)中。 關(guān)于 Nios II的開發(fā)現(xiàn)狀。在 baidu或 google上用關(guān)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(shí)例報(bào)道。也曾經(jīng)試圖 通過中國(guó)期刊網(wǎng)，以及國(guó)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(guān)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(xué)、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)的居多，比較著名的開發(fā)實(shí)例還沒有，所以，可以說 Nios II還處于開始階段。作為 Altera免費(fèi)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(shí)現(xiàn)超過 20ODMIPS的性能表 現(xiàn)。有這樣美味的免費(fèi)大餐可以吃，相信今后會(huì)有越來越多的人會(huì)加入 Nios II開發(fā)者的行列。 簡(jiǎn)要介紹一下國(guó)內(nèi)外的幾款 Nios開發(fā)實(shí)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(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和無線接收的功能。 ②光多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn) 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(jié)構(gòu) (Avalon)，實(shí)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(yùn)用于綜合業(yè)務(wù)數(shù) 字網(wǎng)的協(xié)議處理器的在線更新。這一應(yīng)用極大的提高了視頻會(huì)議和 IP網(wǎng)關(guān)服務(wù)的可靠性。 ④數(shù)碼相機(jī)中的通用控制處理器 柯達(dá)公司在某型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)中成功的應(yīng)用了 Nios處理器，作為 DC的控制中樞。 ⑤國(guó)內(nèi) 對(duì) Nios的最高應(yīng)用可能是某保密項(xiàng)目，該款應(yīng)用同時(shí)使用了八個(gè) 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(dāng)成功的。對(duì)比 Nios，它的第二代 Nios II處理器更是青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。 Nios II具備更強(qiáng)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(yīng)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(duì)比，結(jié)果顯示 Nios II只用了 50%的邏輯單元就實(shí)現(xiàn)了 2倍于 Nios的性能。 第 5 頁 應(yīng)用的相關(guān)技術(shù) SOPC 技術(shù) SOPC（ SystemonaProgrammableChip） 即可編程片上系統(tǒng) ， 用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)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(gè)芯片完成整個(gè)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(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，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(guó) Altera 公司提出了基于 PLD 的 SOC 設(shè)計(jì)方案 —— SOPC。 近年來 SOPC 技術(shù)已成為備受眾多中小企業(yè)、研究所和大 學(xué) 院校青睞的設(shè)計(jì)技術(shù)。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(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。 SOPC 集成了硬核或軟核 CPU、 DSP、鎖相環(huán)（ PLL）、存儲(chǔ)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(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。 Nios II 是一種軟核（ SoftCore）處理器，軟核處理器最大的特點(diǎn)就是可由用戶需要進(jìn)行設(shè)置。與專用 CPU 不同的是， Nios II 是一個(gè)用戶可以自行定制的 CPU，用戶可以增加新的外設(shè)、新的指令，分配外設(shè)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(shè)， Altera 公司的 SOPC Builder 提供了大量的IP Core 來加快 Nios II 外設(shè)的開發(fā)速度。綜合來看， SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術(shù) 融合的結(jié)果，可以認(rèn)為 SOPC 代表了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向，對(duì) SOPC 進(jìn)行深入的研究不僅有利于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也具有重要的意義。 SOPC 技術(shù)主要應(yīng)用以下三個(gè)方向 ： 1）基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的應(yīng)用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中預(yù)先植入處理器。這使得 FPGA 靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一起，高效地實(shí)現(xiàn) SOPC 系統(tǒng)。 2）基于 FPGA 嵌入 IP 軟核 的應(yīng)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(shè)計(jì)的要求，利用相應(yīng)的 EDA 工具，對(duì) NIOS II 及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 3）基于 HardCopy 技術(shù)的應(yīng)用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指將成功實(shí)現(xiàn)于 FPGA 器件上的 SOPC 系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向 ASIC 轉(zhuǎn)化。把大容量 FPGA 的靈活性和 ASIC的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)于有較大批量要求并對(duì)成本敏感的電子產(chǎn)品 ，避開了直接設(shè)計(jì) ASIC 的困難。 本設(shè)計(jì)是基于 FPGA 嵌入 IP 軟核 的應(yīng)用 ，在硬件設(shè)計(jì)中植入 NIOS II 軟核處理器，根據(jù)俄羅斯方塊的設(shè)計(jì)要求，對(duì) 對(duì) NIOS II 及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)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(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整 PLD 設(shè)計(jì)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(duì)第三方仿真和時(shí)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(jí)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加快了設(shè)計(jì)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(diào)試，可設(shè)置 、評(píng)估 SOPC 體系結(jié)構(gòu)。 SOPC Builder 避免了手動(dòng)系統(tǒng)集成任務(wù)，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒕性诙ㄖ朴脩暨壿嬙O(shè)計(jì)上，在更高級(jí)抽象層上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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(dòng)生成系統(tǒng) HDL，形成優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。 SOPC Builder 評(píng)估 自動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)工具提供了強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，可構(gòu)成包括處理器、外設(shè)和存儲(chǔ)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