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采用Nios定制指令的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：Altera公司的Nios軟核處理器以其低成本，設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。采用Nios處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Nios CPU的算術(shù)邏輯單元中，加快專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行，以達(dá)到優(yōu)化目的。本文在闡述Nios定制指令設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)例子說(shuō)明。關(guān)鍵詞：Nios軟核 定制指令 嵌入式處理器MP3
引言
Nios處理器是Altera公司推出的一個(gè)32/16位精簡(jiǎn)指令信處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios核 和相應(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地一個(gè)具有特定功能的嵌入式處理器。這種設(shè)計(jì)思路增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，加快系統(tǒng)運(yùn)行速度，縮短產(chǎn)品研發(fā)和上市時(shí)間。
由硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法通常比軟件實(shí)現(xiàn)更高效。利用Altera的Niso嵌入式處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Niso CPU的算術(shù)邏輯單元（ALU）中（見(jiàn)圖1），來(lái)加快專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行，從而達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。因此，設(shè)計(jì)者可以針對(duì)關(guān)鍵的內(nèi)部循環(huán)和耗時(shí)算法，創(chuàng)建Nios嵌入式處理器的定制指令，把復(fù)雜的順序指令簡(jiǎn)化為硬件實(shí)現(xiàn)的單指令，這樣就能夠大大提高系統(tǒng)性能。例如，Nios CPU執(zhí)行浮點(diǎn)乘法運(yùn)算要2800多個(gè)時(shí)鐘周期；而浮點(diǎn)乘法的定制指令采用了浮點(diǎn)單元（FPU），執(zhí)行只需19個(gè)時(shí)鐘周期。
1 定制指令
定制指令為Nios處理器的算術(shù)邏輯單元增加了定制邏輯，設(shè)計(jì)者通過(guò)定制指令，用快速高效的定制邏輯塊替代復(fù)雜耗時(shí)的軟件程序。在一個(gè)CPU中，可以運(yùn)行多達(dá)五個(gè)組合或時(shí)序定制模塊，還可以訪問(wèn)Nios系統(tǒng)模塊外的存儲(chǔ)器和/或邏輯。定制邏輯模塊在兩個(gè)寄存器Ra和Rb內(nèi)容的基礎(chǔ)上執(zhí)行用戶定義的操作，結(jié)果存放在寄存器Ra中。這些定制邏輯模塊的功能只受限于器件內(nèi)邏輯單元（LE）和設(shè)計(jì)得的想象力。
定制硬件模塊能夠通過(guò)Nios嵌入式處理器指令集中的五個(gè)用戶定義操作碼來(lái)訪問(wèn)。SOPC Builder在生成系統(tǒng)期間會(huì)為任何定制指令創(chuàng)建宏，通過(guò)這些自動(dòng)產(chǎn)生的C和匯編語(yǔ)言宏就可以方便地訪問(wèn)自定義指令操作碼。
2 實(shí)現(xiàn)定制指令
以Altera的Nios2.0版嵌入式處理器為例實(shí)現(xiàn)定制指令，同時(shí)點(diǎn)擊Custom Instructions標(biāo)簽創(chuàng)建或編輯Nios CPU，如圖2。
Custom Instruction標(biāo)簽是系統(tǒng)設(shè)計(jì)都 連接定制邏輯和Nios CPU的ALU的界面。首先，選擇定制指令的操作碼，有USR0～USR4五個(gè)操作碼可供使用。然后，導(dǎo)入和掃描作為定制指令的HDL文件。Design Import Wizard掃描頂層模塊的端口，進(jìn)行合適連接。Design Import Wizard可以接受以下類(lèi)型的文件：VerilogHDL/VHDL/EDIF/VQM以接受以下類(lèi)型的文件：Verilog HDL、VHDL、EDIF、VQM和Altera QuartusII原理圖。導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件之后，分配定制指令所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)目和定制指令名。
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