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      采用Nios定制指令的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

      時間:2024-08-08 07:29:23 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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      采用Nios定制指令的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

      摘要:Altera公司的Nios軟核處理器以其低成本,設(shè)計靈活等特點,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,加快專項任務(wù)的執(zhí)行,以達到優(yōu)化目的。本文在闡述Nios定制指令設(shè)計的基礎(chǔ)上,給出相應(yīng)的設(shè)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(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令,然后對設(shè)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(shè)計思路增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性,加快系統(tǒng)運行速度,縮短產(chǎn)品研發(fā)和上市時間。

      由硬件實現(xiàn)復(fù)雜的算法通常比軟件實現(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(見圖1),來加快專項任務(wù)的執(zhí)行,從而達到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。因此,設(shè)計者可以針對關(guān)鍵的內(nèi)部循環(huán)和耗時算法,創(chuàng)建Nios嵌入式處理器的定制指令,把復(fù)雜的順序指令簡化為硬件實現(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(zhí)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(shù)邏輯單元增加了定制邏輯,設(shè)計者通過定制指令,用快速高效的定制邏輯塊替代復(fù)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(tǒng)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(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(tǒng)期間會為任何定制指令創(chuàng)建宏,通過這些自動產(chǎn)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(xiàn)定制指令

      以Altera的Nios2.0版嵌入式處理器為例實現(xiàn)定制指令,同時點擊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(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(dǎo)入設(shè)計文件之后,分配定制指令所需的CPU時鐘周期數(shù)目和定制指令名。

      在系統(tǒng)生成期間,SOPC Builder工具用作ALU一部分的定制邏輯來創(chuàng)建Nios CPU,受所選的操作碼控制軟件開發(fā)包用定制指令名創(chuàng)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(fā)包ince下。

      圖2 定制指令設(shè)計界面

      設(shè)計者通過創(chuàng)建的軟件宏訪問定制指令。在C/C 中,宏就像函數(shù)調(diào)用一樣使用。如果使用前綴端口,就要用前綴創(chuàng)建不同的宏。例如,為浮點單元(FPU)創(chuàng)建兩個C/C 宏。例如,為浮點單元(FPU)創(chuàng)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(diào)用USR操作碼,按標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(shè)計

      以MP3播放器設(shè)計為例,采用定制指令對設(shè)計進行優(yōu)化。該設(shè)計通過增加兩條定制指令,就能使系統(tǒng)執(zhí)行性能提高大約3倍。圖為該MP3系統(tǒng)設(shè)計框圖。

      (1)MP3解碼器

      在大多數(shù)MP3播放器中,處理器是用來管理函數(shù)和傳輸數(shù)據(jù)的。專用MP3解碼器ASIC可用于執(zhí)行密集計算量的解碼和傳數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù);

      ②將MP3數(shù)據(jù)存入SPAM中緩存;

      ③對MP3數(shù)據(jù)解碼;

      ④將MP3邊帶合成到脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)據(jù);

      ⑤把PCM數(shù)據(jù)傳給脈寬調(diào)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(shù))計算;

      ②網(wǎng)上有可利用的源碼;

      ③在GNU Ceneral Public License(GPL)下發(fā)布。

      (2)定制指令

      我們知道在執(zhí)行MP3解碼的過程中,大量時間花費在邊帶的合成上。因此,優(yōu)化Altera MP3的重點就落在函數(shù)mad_synth_frame上。我們可通過使用定

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