NiosⅡ嵌入式处理器设计

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1、第5章NiosⅡ嵌入式处理器设计5.1NiosⅡ嵌入式处理器简介5.2NiosⅡ嵌入式处理器软、硬件开发流程简介5.3NiosⅡ嵌入式处理器系统的开发5.4NiosⅡ处理器外围接口5.5HAL系统库5.6应用示例——电子钟思考题5.1NiosⅡ嵌入式处理器简介5.1.1第一代Nios嵌入式处理器20世纪90年代末，可编程逻辑器件(PLD)的复杂度已经能够在单个可编程器件内实现整个系统，即在一个芯片中实现用户定义的系统，它通常包括片内存储器和外设的微处理器。2000年，Altera发布了Nios处理器，这是A

2、lteraExcalibur嵌入式处理器计划中的第一个产品，是第一款用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器。Altera公司的Nios是基于RISC技术的通用嵌入式处理器芯片软内核，它特别为可编程逻辑进行了优化设计，也为可编程单芯片系统(SOPC)设计了一套综合解决方案。第一代Nios嵌入式处理器性能高达50MIPs，采用16位指令集，16/32位数据通道，5级流水线技术，可在一个时钟周期内完成一条指令的处理。它可以与各种各样的外设、定制指令和硬件加速单元相结合，构成一个定制的SOPC。Nios处理器还具有

3、一种基于JTAG的OCI(片上仪器)芯核，使软件开发人员在实时调试方面具有更明显的优势。该处理器的软件支持可扩展到对APR、IP、ICMP、TCP、UDP和以太网的网络协议支持。在Nios之后，Altera公司于2003年3月又推出了Nios的升级版Nios3.0版，它有16位和32位两个版本。两个版本均使用16位的RISC指令集，其差别主要在于系统总线带宽。它能在高性能的Stratix或低成本的Cyclone芯片上实现。Nios3.0的主要特性有：(1)更多的可配置的寄存器。用户根据需要可自行配置的内部寄

4、存器数目多达512个。编译器可利用这些内部寄存器加快对子程序的调用和对变量的寻址。(2)极大的灵活性和可扩展性。用户可在FPGA容量允许范围内自由配置处理器的Cache大小、指令集ROM大小、片内RAM和ROM大小、I/O引脚数目和类型、中断引脚数目、定时器数目、通用串口数目、扩展地址和数据引脚等处理器的性能指标。此外，用户还可以在处理器ALU中直接加入自定义的数字逻辑，并添加自定义的处理器指令。(3)功能强大的开发工具。使用SOPCBuilder开发工具，开发者可以快速开发出满足设计需要的处理器。该开发工

5、具支持C、C++语言，并提供了常用的功能类库。开发者可以直接使用C、C++语言进行系统软件开发，然后在线调试自行设计的Nios处理器和软件。当软件达到设计要求时，可通过该工具将执行代码转换成Flash文件格式或HEX文件下载到Flash或FPGA器件中，使所设计的系统独立运行。第一代的Nios已经体现出了嵌入式软核的强大优势，但是还不够完善。它没有提供软件开发的集成环境，用户需要在NiosSDKShell中以命令行的形式执行软件的编译、运行、调试，程序的编辑、编译、调试都是分离的，而且还不支持对项目的编译。

6、这对用户来说不够方便，还需要功能更为强大的软核处理器和开发环境。5.1.2第二代Nios嵌入式处理器2004年6月，Altera公司在继全球范围内推出CycloneⅡ和StratixⅡ器件系列后又推出了支持这些新款FPGA系列的NiosⅡ嵌入式处理器。Nios Ⅱ嵌入式处理器和Cyclone ⅡFPGA组合，在器件中只占用0.35美元的逻辑资源。Nios Ⅱ嵌入式处理器在Cyclone ⅡFPGA中也具有超过100DMIP的性能，允许设计者在很短的时间内构建一个完整的可编程芯片系统，风险和成本比中小规模的A

7、SIC小。它与2000年上市的原产品Nios相比，最大处理性能提高3倍，CPU内核部分的面积最大可缩小1/2。NiosⅡ系列嵌入式处理器使用32位的指令集结构(ISA)，完全与二进制代码兼容，它是建立在第一代16位Nios处理器的基础上的，定位于广泛的嵌入式应用。NiosⅡ处理器系列包括了三种内核——快速的(NiosⅡ/f)、经济的(NiosⅡ/e)和标准的(NiosⅡ/s)内核，每种都针对不同的性能范围和成本。使用Altera的QuartusⅡ软件、SOPCBuilder工具以及NiosⅡ集成开发环境(I

8、DE)，用户可以轻松地将NiosⅡ处理器嵌入到他们的系统中。表5.1、表5.2和表5.3分别列出了NiosⅡ处理器的特性、NiosⅡ系列成员、NiosⅡ嵌入式处理器支持的FPGA。表5.1NiosⅡ嵌入式处理器的特性表5.2NiosⅡ系列处理器成员表5.3NiosⅡ嵌入式处理器支持的FPGA5.1.3可配置的软核嵌入式处理器的优势1．合理的性能组合使用AlteraNiosⅡ处理器和FPGA，用户可以实现在处理器、