基于嵌入式處理器軟核Nios II的IP復用技術及應用

　　引言：

　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，有硬核和軟核之分。其中，嵌入式處理器軟核以其更大的使用靈活性，更低廉的成本，受到了研發(fā)人員和市場的廣泛歡迎。Altera公司最新推出的嵌入式處理器軟核Nios II更是軟核處理器中的先進代表，它已經(jīng)快速的滲透到教學、科研以及生產(chǎn)等各個方面，積極的推動著嵌入式技術、SOPC(可編程片上系統(tǒng))的發(fā)展。

　　1 Nios II 簡介

　　二十世紀九十年代末，可編程邏輯器件(PLD)的復雜度已經(jīng)能夠在單個可編程器件內(nèi)實現(xiàn)整個系統(tǒng)，可編程片上系統(tǒng)(SOPC)已成為現(xiàn)實。Altera將可編程器件的優(yōu)勢拓展到嵌入處理器的開發(fā)設計中，推出了成功的產(chǎn)品。

　　2000年，Altera發(fā)布了Nios處理器，這是Altera Excalibur嵌入處理器計劃中的第一個產(chǎn)品，是第一款用于可編程邏輯器件的可配置軟核處理器。

　　2004年6月，Altera公司在第一代Nios取得巨大成功的基礎上，又推出了更加強大的Nios II嵌入式處理器。它采用32位的RISC指令集，32位數(shù)據(jù)通道，5級流水線技術，可在一個時鐘周期內(nèi)完成一條指令的處理。與Nios相比，Nios II處理器擁有更高的性能和更小的FPGA占用率，并且提供了強大的軟件集成開發(fā)環(huán)境Nios II IDE，所有軟件開發(fā)任務包括編輯、編譯、調試程序和下載都可以在該環(huán)境下完成。

　　Altera公司將Nios II處理器以IP( Intellectual Property知識產(chǎn)權)核的方式提供給設計者，有快速型(Nios II/f)、經(jīng)濟型(Nios II/e)和標準型(Nios II/f)三種處理器內(nèi)核，每種內(nèi)核都對應不同的性能范圍和資源成本。設計者可以根據(jù)實際的情況來選擇和配置處理器內(nèi)核，輕松的創(chuàng)建一款“完美”的處理器。

　　2 Nios II系統(tǒng)的開發(fā)流程

　　Nios II系統(tǒng)的開發(fā)主要可以分為兩大步：搭建硬件平臺和針對目標平臺編寫應用軟件程序。

　　Altera公司設計的開發(fā)工具SOPC Builder，將所有和處理器子系統(tǒng)相關的底層詳細資料集中到這個工具中，讓用戶完全置身于直觀的圖形界面下添加和配置所需的處理器和功能部件，并自動完成包含定義存儲器映射、中斷控制和總線控制在內(nèi)的系統(tǒng)配置工作，使得開發(fā)工作簡單化，設計者能夠更加著眼于系統(tǒng)的功能而無須拘泥于過多的細節(jié)。

　　集成于SOPC Builder中的Nios II IDE，采用絕大部分設計者非常熟悉的標準GNU環(huán)境，能夠讓設計者在其中完成所有的軟件開發(fā)任務。

　　搭建硬件平臺所需的工作如下：

　　(1)硬件開發(fā)的主要工作是構建Nios II系統(tǒng)模塊。在SOPC Builder中選取合適的CPU、存儲器以及外圍器件(如片內(nèi)存儲器、PIO、UART和片外存儲器接口)，并通過參數(shù)的設計定制它們的功能。

　　部件選擇完成后，使用Quartus II軟件選取具體的Altera可編程器件系列，并對SOPC Builder生成的HDL設計文件進行布局布線，生成Nios II系統(tǒng)模塊;

　　(2)將生成的Nios II系統(tǒng)模塊加入到Quartus II工程下的頂層設計文件，為Nios II系統(tǒng)模塊的I/O端口分配管腳或者連接FPGA內(nèi)部邏輯。I/O管腳分配后，進行編譯，系統(tǒng)生成配置文件;

　　(3)使用Quartus II編程器和Altera下載電纜，下載配置文件到開發(fā)板。當硬件設計校驗完成后，可以將配置文件下載到開發(fā)板上的非易失存儲器里。

　　下載完硬件配置文件后，軟件開發(fā)者就可以把此開發(fā)板作為軟件開發(fā)的初期硬件平臺對軟件功能進行開發(fā)驗證。

　　軟件開發(fā)流程歸納如下：

　　(1)在用SOPC Builder進行硬件設計的同時，就可以開始編寫獨立于器件的C/C++軟件，比如算法或控制程序，并可以使用現(xiàn)成的軟件庫和開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核來加快開發(fā)進程。

　　(2)在NIOS II IDE中建立新的軟件工程，這時，IDE會針對目標硬件平臺自動生成一個定制HAL系統(tǒng)庫，這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅動程序。

　　(3) 使用NIOS II IDE對軟件工程進行編譯、調試，運行。[1]

　　3 Nios II 在汽車行駛記錄儀中的應用

　　汽車行駛記錄儀是對車輛行駛速度、時間、里程以及有關車輛行駛的其它狀態(tài)信息進行記錄、存儲并可通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。

　　采用基于嵌入式處理器Nios II的SOPC技術來設計汽車行駛記錄儀的優(yōu)勢如下：

　　汽車行駛記錄儀需要存儲、傳輸數(shù)據(jù)，必要時還需具備顯示和警報功能，系統(tǒng)接口較多，SOPC Builder提供了大量的接口IP核供用戶選擇，使得設計方便快捷，能夠大大的縮短開發(fā)工期。

　　汽車行駛記錄儀因其特殊的工作環(huán)境，要求盡可能的減小產(chǎn)品體積并提高系統(tǒng)的可靠性，SOPC的特點就是在FPGA上高度集成，盡量減少芯片外部連線，十分符合汽車行駛記錄儀對體積和可靠性的要求。

　　汽車行駛記錄儀應該具備適應用戶需求變化的能力，具備良好的可擴展性和升級特性?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA以及Nios II的特點使得通過對軟件代碼的更新就可以完成系統(tǒng)的維護和升級。

　　3.1 硬件平臺的搭建

　　根據(jù)汽車行駛記錄儀的功能，將整個系統(tǒng)劃分為四個部分，如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)整體框圖

　　圖1中各部分的功能如下：

　　Nios II系統(tǒng)模塊：中央控制單元。包含Nios II處理器，Avalon總線，中斷時鐘以及與外設的接口。控制程序由運行在Nios II CPU上的軟件完成，負責對信號的采集，處理和存儲操作，并控制通信過程;

　　信號輸入部分：接收外部傳感器和開關量信號，并進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送到Nios II系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)采集端口(PIO);

　　存儲器部分：存儲采集的數(shù)據(jù);

　　通信模塊：采用RS-232，負責與分析儀之間的通信。

　　根據(jù)各個部分的功能和開發(fā)板的配置(本項目所用的開發(fā)板為Stratix 1s10，F(xiàn)PGA的型號為：EP1S10F780C6)，需要用到的外圍器件有：對模擬輸入信號進行模數(shù)轉換的ADC0809;用于試驗中存儲數(shù)據(jù)的 SRAM存儲器;用于試驗數(shù)據(jù)備份的Flash存儲器;裝載軟件程序、異常處理的SDRAM存儲器;記錄儀與分析儀之間的通信接口RS232;用于超速報警的LED;等等。

　　按照系統(tǒng)的硬件規(guī)劃，在SOPC Builder需要添加如下IP模塊：

　　l Nios II 32位CPU 軟核處理器;

　　l Interval_timer 中斷時鐘，每0.2秒發(fā)出中斷;

　　l Keydoor_pio 接收鑰匙門信號的輸入;

　　l Power_off_pio 接收掉電信號的輸入;

　　l Vehicle_speed_pio 連接車速傳感器輸出脈沖計數(shù)器的輸出端;

　　l Over_speed_alarm_pio連接超速報警LED;

　　l Rotate_speed_pio 連接曲軸傳感器輸出脈沖計數(shù)器的輸出端;

　　l Initial_pio 系統(tǒng)復位端口;

　　l Adc_control_pio ADC 0809控制端口;

　　l Adc_eoc_pio連接ADC 0809轉換結束指示引腳;

　　l Adc_data_pio 連接ADC 0809的8個數(shù)據(jù)輸出引腳;

　　l Switch_input_pio 接收開關量的輸入;

　　l Sdram 軟件程序，異常處理存儲器;

　　l Ext_ram_bus 外部存儲器總線;

　　l Ext_ram 外部RAM接口;

　　l Ext_flash 外部flash接口;

　　l Uart通用異步接收發(fā)送器，實現(xiàn)RS_232接口;

　　l Jtag_uart 調試用接口;

　　3.2 軟件實現(xiàn)

　　汽車行駛記錄儀的各種應用功能是由C/C++語言編寫的軟件程序來完成。在Nios II IDE中新建一個工程時，系統(tǒng)會針對目標硬件平臺自動生成硬件抽象層的應用程序接口(HAL API)供程序編寫人員調用。

　　汽車行駛記錄儀的工作過程如下：

　　1.汽車行駛過程中，記錄儀每0.2秒采集并記錄事故疑點數(shù)據(jù);每分鐘記錄行駛狀態(tài)數(shù)據(jù);在記錄的過程中要記錄最高車速。

　　2. 汽車停駛時，記錄儀并沒有停止工作，但此時不進行數(shù)據(jù)的采集和記錄。在停車過程中，分析儀可以采集記錄儀的數(shù)據(jù)。

　　3.車輛，駕駛員基本信息采取系統(tǒng)初始化時預置進記錄儀的形式。

　　4.記錄儀是否采集數(shù)據(jù)用鑰匙門控制，接收到鑰匙門啟動車輛的信號，記錄儀開始記錄;接收到鑰匙門的熄火信號，停止記錄。

　　5.記錄儀掉電，備份數(shù)據(jù)，停止工作。

　　根據(jù)上述記錄儀的工作過程，軟件程序整體流程設計如圖2所示。

　　圖2 汽車行駛記錄儀工作整體流程圖

　　結論：本文所介紹的新一代汽車行駛記錄儀，采用了基于嵌入式處理器Nios II的SOPC設計技術，能夠更完整，更精確，更多樣化的記錄汽車在行駛過程中的各種數(shù)據(jù)，符合國家標準，取得了較滿意的效果。在設計過程中大量復用成熟的IP軟核，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)時間，充分體現(xiàn)了IP復用技術帶來的好處。

　　參考文獻

　　1 任愛鋒 初秀琴 常存 孫肖子. 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計. 西安:西安電子科技大學出版社,2004年10月

　　2 彭澄廉 周博等. 挑戰(zhàn)SOC-- 基于Nios的SOPC設計與實踐. 北京:清華大學出版社.2004年7月

　　3王金明 楊吉斌. 數(shù)字系統(tǒng)設計與Verilog HDL. 北京：電子工業(yè)出版社， 2003年6月

　　4 GB/T 19056—2003 汽車行駛記錄儀國家標準

　　5朱運航　李雪東. 基于IP核復用的SoC設計技術探討. 微計算機信息. 2006 年3-2. 2

　　6 司利增. 汽車計算機控制. 北京 人民交通出版社，2000年2月