一种基于NiosⅡ的可重构DSP系统设计

　　引言

　　为了解决传统DSP所面临的速度低、硬件结构不可重构、开发升级周期长和不可移植等问题，本文应用Altera公司推出的NiosII嵌入式软核处理器，提出了一种具有常规DSP的NiosII系统功能SOPC解决方案。由于可编程的NiosII核含有许多可配置的接口模块，用户可根据设计要求，利用QuartusII和SOPC Builder对NiosII及其外围系统进行构建。用户还可通过Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述语言，为NiosII嵌入式处理器设计各类硬件模块，并以指令的形式加入到NiosII的指令系统中，使其成为NiosII系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式系统融为一体，而不是直接下载到FPGA中生成庞大的硬件系统。正是NiosII所具有的这些重要特点，使得可重构单片DSP系统的设计成为可能。

　　Nios II嵌入式系统设计流程

　　NiosII嵌入式处理器专为单芯片可编程系统设计而优化，是一种面向用户、可以灵活定制的通用RISC(精简指令集)嵌入式CPU。它采用Avalon总线结构通信接口，带有增强的内存、调试和软件功能，可采用汇编或C、C++等进行程序优化开发。NiosII具有32位指令集、32位数据通道和可配置的指令及数据缓冲。与普通嵌入式CPU系统的特性不同，其外设可以灵活选择或增删，可以自定制用户逻辑为外设，可以允许用户定制自己的指令集。由硬件模块构成的自定制指令可通过硬件算法操作来完成复杂的软件处理任务，也能访问存储器或NiosII系统外的接口逻辑。设计者可以使用NiosII及外部的Flash、SRAM等，在FPGA上构成一个嵌入式处理器系统。

　　完整的基于NiosII的SOPC系统是一个软硬件复合的系统，因此在设计时可分为硬件和软件两部分。NiosII的硬件设计是为了定制合适的CPU和外设，在SOPC Buider和QuartusII中完成。在这里可以灵活定制NiosII CPU的许多特性甚至指令，可使用Altera公司提供的大量IP核来加快开发NiosII外设的速度，提高外设性能，也可以使用第三方的IP核或VHDL来自行定制外设。完成NiosII的硬件开发后，SOPC Buider可自动生成与自定义的NiosII CPU和外设系统、存储器、外设地址映射等相应的软件开发包SDK，在生成的SDK基础上，进入软件开发流程。用户可使用汇编或C，甚至C++来进行嵌入式程序设计，使用GNU工具或其它第三方工具进行程序的编译连接以及调试。

　　单片DSP系统构架

　　本系统为单片DSP可重构系统，能完成数字信号处理方面各功能的操作。其中NiosII软件处理器主要完成人机交互和控制作用;FPGA的逻辑模块从NiosII处理器接收控制信号和数据后，完成相应的硬件功能。系统框图如图1所示，除了软核处理器NiosII外，存储器、I/O接口以及FIR数字滤波器、IIR数字滤波器、DDS等应用模块等均可作为外设嵌入在FPGA中。这样，整个DSP的数字信号处理部分全部集成在FPGA器件中，各模块受NiosII处理器的控制。NiosII处理器系统中有Avalon总线，它规定了控制器与从属模块间的端口连接以及模块间通信的时序。数字频率合成器(DDS)通过Avalon总线与Nios II处理器相连，能很方便地完成控制及数据传送。