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采用Nios定制指令的嵌入式系统优化设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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

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