EDA技术实用教程 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 作者 朱娜 张金保 王志强 李建利 第6章NIOS软核SOPC系统设计.pptx

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1、第6章NIOS软核SOPC系统设计6.1NiosII核SOPC系统NiosII是采用流水线技术的通用精简指令集计算机RISC处理器，是一种面向用户的、可以灵活定制的嵌入式CPU。与传统的单片机系统相比，基于NiosII的嵌入式系统具有无可比拟的优势和特色。首先，NiosII处理器和FPGA的组合，实现了处理器、外设、内存和I/O接口等多方面的合理应用。其次，NiosII软核具有良好的性能指标。再次，NiosII的使用大大降低了系统开发成本。6.1.1SOPC技术简介最早提出SOPC技术的是Altera公司

2、，它是基于FPGA解决方案的SoC片上系统设计技术，它将处理器、I/O、存储器以及其外围设备的功能模块集成到一片FPGA内，构成一个片上可编程系统。SOPC是现代计算机应用技术发展的一个重要成果，也是现代处理器应用的重要发展方向。SOPC系统设计包括以32位NiosII软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、硬件仿真、软件设计、软件调试等方面6.1.2NiosⅡ软核SOPC系统结构及开发环境内嵌于FPGA的NiosII具有很多不同于普通嵌入式系统的特性，其中包含一套通用外设和接口库，可以灵活选择

3、和增减，可以自定义用户逻辑作为外设，也可以定制自己的指令集，设计者可以结合使用NiosII和FPGA内部的RAM、ROM，还可以外扩Flash、SRAM来构成一个嵌入式系统。NiosII软核是一种专门为单芯片可编程系统设计应用而优化的CPU软核，包括3种内核，即快速的（NiosII/f）、经济的（NiosII/e）、和标准的（NiosII/s）内核型号流水线乘法器支路预测指令缓冲数据缓冲定制指令备注NiosII/f6级1周期动态可设置可设置256最佳性能优化NiosII/e5级3周期静态可设置无256体积

4、小、速度快NiosII/s无无无无256用最少的资源NiosII核主要由以下几个功能单元组成。（1）基于边界扫描测试（JTAG）的调试模块；（2）寄存器文件，包括通用寄存器和控制寄存器；（3）算术逻辑单元和自定义指令；（4）指令Cache和数据Cache；（5）指令总线和数据总线；（6）中断控制器和程序控制器NiosIICPU内部结构示意图SOPC设计的基本工具包括QuartusII、SOPCBuilder、ModelSim和NiosIIIDEQuartusII：完成NiosII系统的综合、硬件优化、适配

5、、编程下载和硬件系统调试；SOPCBuilder：NiosII嵌入式处理器开发软件包，实现NiosII系统的配置、生成、NiosII系统相关的监控和软件调试平台的生成；ModelSim：对生成的HDL描述进行系统功能仿真；NiosIIIDE：软件编译和调试工具；还可以借助MATLAB/DSPBulider生成NiosII系统的硬件加速器，为其定制新的指令6.2NiosII指令系统NiosII处理器是精简指令架构（RISC）。其算术和逻辑运算的操作数在通用寄存器执行。通过Load和Store指令在内存和寄存

6、器之间传送数据。NiosII处理器的字长为32bits。所有的寄存器都是32bits。32-bit的字节地址可用从小到大或从大到小的风格赋值。在配置时，用户可能会选择一种赋值风格。本文使用从小到大的风格。NiosII架构使用单独的指令和数据总线，通常叫做哈佛架构。NiosII处理器可能以以下3种模式操作：（1）管理模式：允许处理器执行所有的指令和功能。当处理器复位后，进入这种模式。（2）用户模式：这种模式的意图是防止某些用于系统进程的指令的执行。在这种模式，某些特性不可用。（3）调试模式：用于软件调试工具

7、，比如设置断点和观测点6.2.1寄存器结构NiosII处理器的通用寄存器寄存器名字功能说明R0ZERO0x00000000R1AT汇编器的临时寄存器R2R3.........R23R24ET异常临时寄存器（1）R25BT断点临时寄存器（2）R26GP全局指针寄存器R27SP堆栈指针寄存器R28FP帧指针寄存器R29EA异常返回地址（1）R30BA断点返回地址（2）R31RA返回地址寄存器（1）此寄存器在用户模式下不可用（2）此寄存器为JTAG调试模块专用寄存器（1）寄存器R0作为0寄存器。它通常包含常数0

8、。因此，写它时无效，读这个寄存器的返回值为0。（2）寄存器R1被汇编器作为临时寄存器使用，用户程序中不能使用。（3）寄存器R24和R29用于处理表达式；它们在用户模式不可用。（4）寄存器R25和R30是JTAG调试模式专用。（5）寄存器R27和R28用于控制NiosII处理器使用的栈。（6）寄存器R31用于保存子程序调用的返回地址。有6个32bit的控制寄存器。这些寄存器用于自动控制寄存器名称B31...B2B1B0CTL0s