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采用Nios定制指令的嵌入式系统优化设计

采用Nios定制指令的嵌入式系统优化设计摘要：Altera公司的Nios软核处理器以其低成本，设计灵活等特点，在嵌入式应用领域得到广泛的应用。采用Nios处理器的定制指令，可以把用户自定义的功能直接添加到NiosCPU的算术逻辑单元中，加快专项任务的执行，以达到优化目的。本文在阐述Nios定制指令设计的基础上，给出相应的设计例子说明。关键词：Nios软核定制指令嵌入式处理器MP3引言Nios处理器是Altera公司推出的一个32/16位精简指令信处理器软核。在Altera公司推出的软件SOPC中加载Nios核和相应的外围接口以及与定义相应的自定义指令，然后对设计进行综合，下载到FPGA中就可以方便地一个具有特定功能的嵌入式处理器。这种设计思路增加了系统设计的灵活性，加快系统运行速度，缩短产品研发和上市时间。由硬件实现复杂的算法通常比软件实现更高效。利用Altera的Niso嵌入式处理器的定制指令，可以把用户自定义的功能直接添加到NisoCPU的算术逻辑单元（ALU）中（见图1），来加快专项任务的执行，从而达到系统优化的目的。因此，设计者可以针对关键的内部循环和耗时算法，创建Nios嵌入式处理器的定制指令，把复杂的顺序指令简化为硬件实现的单指令，这样就能够大大提高系统性能。例如，NiosCPU执行浮点乘法运算要2800多个时钟周期；而浮点乘法的定制指令采用了浮点单元（FPU），执行只需19个时钟周期。1定制指令定制指令为Nios处理器的算术逻辑单元增加了定制逻辑，设计者通过定制指令，用快速高效的定制逻辑块替代复杂耗时的软件程序。在一个CPU中，可以运行多达五个组合或时序定制模块，还可以访问Nios系统模块外的存储器和/或逻辑。定制逻辑模块在两个寄存器Ra和Rb内容的基础上执行用户定义的操作，结果存放在寄存器Ra中。这些定制逻辑模块的功能只受限于器件内逻辑单元（LE）和设计得的想象力。定制硬件模块能够通过Nios嵌入式处理器指令集中的五个用户定义操作码来访问。SOPCBuilder在生成系统期间会为任何定制指令创建宏，通过这些自动产生的C和汇编语言宏就可以方便地访问自定义指令操作码。2实现定制指令以Altera的Nios2.0版嵌入式处理器为例实现定制指令，同时点击CustomInstructions标签创建或编辑NiosCPU，如图2。CustomInstruction标签是系统设计都连接定制逻辑和NiosCPU的ALU的界面。首先，选择定制指令的操作码，有USR0～USR4五个操作码可供使用。然后，导入和扫描作为定制指令的HDL文件。DesignImportWizard扫描顶层模块的端口，进行合适连接。DesignImportWizard可以接受以下类型的文件：VerilogHDL/VHDL/EDIF/VQM以接受以下类型的文件：VerilogHDL、VHDL、EDIF、VQM和AlteraQuartusII原理图。导入设计文件之后，分配定制指令所需的CPU时钟周期数目和定制指令名。在系统生成期间，SOPCBuilder工具用作ALU一部分的定制逻辑来创建NiosCPU,受所选的操作码控制软件开发包用定制指令名创建在C/C++和汇编语言中使用的软件宏。这些在定制软件开发包ince下。图2定制指令设计界面设计者通过创建的软件宏访问定制指令。在C/C++中，宏就像函数调用一样使用。如果使用前缀端口，就要用前缀创建不同的宏。例如，为浮点单元（FPU）创建两个C/C++宏。例如，为浮点单元（FPU）创建两个C/C++宏是：result=nm_fpu(data,datb);//不使用前缀result=nm_fpu_pfx(prefix,data,data);//使用前缀在汇编语言中，宏调用USR操作码，按标准汇指令一样使用。如果使用前缀，那么在宏之前必须有一个PFX指令。有关用户定义操作码（USR0～USR4）的详细资料可参NiosSoftwareDevelopmentReferenceManual。3MP3播放器的定制指令设计以MP3播放器设计为例，采用定制指令对设计进行优化。该设计通过增加两条定制指令，就能使系统执行性能提高大约3倍。图为该MP3系统设计框图。（1）MP3解码器在大多数MP3播放器中，处理器是用来管理函数和传输数据的。专用MP3解码器ASIC可用于执行密集计算量的解码和传数据给音频器件。本例中，Altera的Nios处理器用于完成处理控制信号，传输数据和进行MP3解码。通常，MP3解码器流程如下：①通过IDE接口从CF（CompactFlashcontroler）中读取MP3数据；②将MP3数据存入SPAM中缓存；③对MP3数据解码；④将MP3边带合成到脉冲编码调制（PCM