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采用Nios定制指令的嵌入式系統優化設計
摘要：Altera公司的Nios軟核處理器以其低成本，設計靈活等特點，在嵌入式應用領域得到廣泛的應用。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的算術邏輯單元中，加快專項任務的執行，以達到優化目的。本文在闡述Nios定制指令設計的基礎上，給出相應的設計例子說明。引言
Nios處理器是Altera公司推出的一個32/16位精簡指令信處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios核 和相應的外圍接口以及與定義相應的自定義指令，然后對設計進行綜合，下載到FPGA中就可以方便地一個具有特定功能的嵌入式處理器。這種設計思路增加了系統設計的靈活性，加快系統運行速度，縮短產品研發和上市時間。
由硬件實現復雜的算法通常比軟件實現更高效。
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的算術邏輯單元（ALU）中（見圖1），來加快專項任務的執行，從而達到系統優化的目的。因此，設計者可以針對關鍵的內部循環和耗時算法，創建Nios嵌入式處理器的定制指令，把復雜的順序指令簡化為硬件實現的單指令，這樣就能夠大大提高系統性能。例如，Nios CPU執行浮點乘法運算要2800多個時鐘周期；而浮點乘法的定制指令采用了浮點單元（FPU），執行只需19個時鐘周期。
1 定制指令
定制指令為Nios處理器的算術邏輯單元增加了定制邏輯，設計者通過定制指令，用快速高效的定制邏輯塊替代復雜耗時的軟件程序。在一個CPU中，可以運行多達五個組合或時序定制模塊，還可以訪問Nios系統模塊外的存儲器和/或邏輯。定制邏輯模塊在兩個寄存器Ra和Rb內容的基礎上執行用戶定義的操作，結果存放在寄存器Ra中。這些定制邏輯模塊的功能只受限于器件內邏輯單元（LE）和設計得的想象力。
定制硬件模塊能夠通過Nios嵌入式處理器指令集中的五個用戶定義操作碼來訪問。SOPC Builder在生成系統期間會為任何定制指令創建宏，通過這些自動產生的C和匯編語言宏就可以方便地訪問自定義指令操作碼。
2 實現定制指令
以Altera的Nios2.0版嵌入式處理器為例實現定制指令，同時點擊Custom Instructions標簽創建或編輯Nios CPU，如圖2。
Custom Instruction標簽是系統設計都 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～USR4五個操作碼可供使用。然后，導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，進行合適連接。Design Import Wizard可以接受以下類型的文件：VerilogHDL/VHDL/EDIF/VQM以接受以下類型的文件：Verilog HDL、VHDL、EDIF、VQM和Altera QuartusII原理圖。導入設計文件之后，分配定制指令所需的CPU時鐘周期數目和定制指令名。
在系統生成期間，SOPC Builder工具用作ALU一部分的定制邏輯來創建Nios CPU,受所選的操作碼控制軟件開發包用定制指令名創建在C/C 和匯編語言中使用的軟件宏。這些在定制軟件開發包ince下。
圖2 定制指令設計界面
設計者通過創建的軟件宏訪問定制指令。在C/C 中，宏就像函數調用一樣使用。如果使用前綴端口，就要用前綴創建不同的宏。例如，為浮點單元（FPU）創建兩個C/C 宏。例如，為浮點單元（FPU）創建兩個C/C 宏是：
result=nm_fpu(data,datb); //不使用前綴
result=nm_fpu_pfx(prefix,data,data); //使用前綴
在匯編語言中，宏調用USR操作碼，按標準匯指令一樣使用。如果使用前綴，那么在宏之前必須有一個PFX指令。有關用戶定義操作碼（USR0～USR4）的詳細資料可參Nios Software Development Reference Manual。
3 MP3播放器的定制指令設計
以MP3播放器設計為例，采用定制指令對設計進行優化。該設計通過增加兩條定制指令，就能使系統執行性能提高大約3倍。圖為該MP3系統設計框圖。
（1）MP3解碼器
在大多數MP3播放器中，處理器是用來管理函數和傳輸數據的。專用MP3解碼器ASIC可用于執行密集計算量的解碼和傳數據給音頻器件。本例中，Altera的Nios處理器用于完成處理控制信號，傳輸數據和進行MP3解碼。通常，MP3解碼器流程如下：
①通過IDE接口從CF（CompactFlash controler）中讀取MP3數據；
②將MP3數據存入SPAM中緩存；
③對MP3數據解碼；
④將MP3邊帶合成到脈沖編碼調制（PCM）數據；
⑤把PCM數據傳給脈寬調制器PWM。
此外，播放器采用MPEG Audio Decoder(MAD)進行MP3解碼，是基于以下方面：
①100%定點（整數）計算；
②網上有可利用的源碼；
③在GNU Ceneral Public License（GPL）下發布。
（2）定制指令
我們知道在執行MP3解碼的過程中，大量時間花費在邊帶的合成上。因此，優化Altera MP3的重點就落在函數mad_synth_frame上。我們可通過使用定
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