（电路与系统专业论文）基于Nios软核的LED显示屏异步控制系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

东南大学0 2 级硕士论文 摘要 n i o s 处理器是a l t e r a 公司在2 0 0 0 年推出的一种软核处理器，加上该公司提供的 q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r 软件，使用户能很方便的完成片上可编程系统( s o p c ) 的设 计，使电路系统的设计更加趋向软件化，系统的升级换代变得更加便利。 l e d 显示屏作为一种新兴的显示媒体，因为寿命长、亮度高、易于操作等特点，已 经在很多行业内得到了广泛使用。l e d 显示屏系统有很多种类，对于其控制系统无法提 出一种或几种统一的解决方案，不便于技术更新和产品升级。针对这种情况，本文提 出一种基于n i o s 软核处理器的设计思路，将处理器、外围接口控制器和部分硬件逻辑 功能结合在一片f p g a 芯片内实现，对于不同的系统要求只需重新对f p g a 进行配置即 可；而且可以针对特定的需要，生成在某些方面的性能特别强大的处理器系统，对资 源进行最合理的利用。 根据该设计思想，本文设计了一种基于n i o s 软核的l e d 异步显示屏控制系统。文 中对l e d 显示屏、n i o s 处理器、a v a l o n 总线的结构特点、s o p c 的设计流程和开发工具 进行了介绍，并对这套系统中的n i o s 软核和硬件逻辑的设计进行了详细的描述，在此 基础上制作了系统的硬件电路，并进行了软件方面的设计调试。最后对s o p c 技术目前 的发展状况做了简要介绍。 关键词：n i o s 、软核处理器、s o p c 、l e d 显示屏、f p g a 东南人学0 2 级硕l j 论义 a b s t r a c t n i o sp r o c e s s o ri sat y p eo fs o r c o r ep r o c e s s o rr e l e a s e db ya l t e r ai n c i n2 0 0 0 7 r b g e t h e rw i t ht h es o f t w a r ep a c k a g e q u a r t u si ia n ds o p cb u i l d e r ，t h i sk i n do fp r o c e s s o rn o t o n l 多i m p r o v e st h ei m p l e m e n t a t i o no fs o p c ( s y s t e m o np r o 酽a m m a b l ec h i p ) d e s i g nw h i c h l e a d st h ee l e c t r o n i c ss y s t e md e v e l o p m e n tt r e n dt o w a r ds o r w a r ed e s 培n ，b u ta l s om a k e st h e s y s t e mu p g r a d e n ol o n g e rd i m c u l t a san e wk i n do fd i s p l a ym e d i a ，l e dd i s p l a yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a l a r e a sb e c a u s eo fi t sl o n gl i f e ，h i g h l i 曲tb r i g h t n e s sa n dc o n v e n i e n c eo fo p e r a t i o n h o 、v e v e r ，f o r d i f r e r e n tr e q u i r e m e n t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gl e dd i s p l a ys y s t e m sc a nh a r d l yb eu p g r a d e du n l e s s t h e r ei so n eo rs o m eu n i f o r ms o l u t i o nf o rl e dd i s p l a yc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h i s ，t h e p a p e rd e s c “b e dad e s i g nb a s e do nn i o ss o r c o r ep r o c e s s o r ，w h i c hi n t e g r a t e st h ep r o c e s s o r t h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o ll e ra n ds o m eh a r d w a r ef u n c t i o n si n t oas i n g l ef p g ac h i p i n t h i sw a y ，d i f f e r e n ts y s t e mr e q u i r e m e n t sc a ne a s i l yb es a t i s 矗e db yc e r t a i nf p g ac o n 6 9 u r a t i o n ， a n ds o m es p e c i a lp r o c e s s o rs y s t e m sc a na l s ob ed e s i g n e dt om e e ts o m es p e c i f i cd e s i r e s ，t h a t m o s t l ym a k eu s eo ff p g a r e s o u r c e as e to fl e da s y n c h r o n o u sd i s p l a yc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，w h i c h t a k e st h ea d v a n t a g e so fn i o ss o r c o r ei nt h ei d e ad e s c r i b e db e f o r e t h ep a p e rd i s c u s s e st h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fl e dd i s p l a y ，n i o sp r o c e s s o ra n da v a l o nb u s ，s o p cd e s i g nn o w a n dd e v e l o p m e n tt o o l s t h et w om a i na s p e c t so ft h es y s t e m n i o ss y s t e m ，h a r d w a r el o g i c d e s i g n a r ep a r t i c u l a r l vd i s c u s s e d t h ec i r c u i th a sb e e nt a i l o r e da n dt h er e l a t e ds o r w a r eh a s b e e nd e b u g g e do nt h ee x i s t i n gb a s i s l a s tb u tn o tl e a s t ，t h er e c e n td e v e l o p m e n to fs o p ca n d a v a i l a b l es o l u t i o n si sm e n t i o n e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：n i o s ，s o f t c o r e ，s o p c ，l e dd i s p l a y ，f p g a 卜+ 、 ，沓 东i 订人学0 2 级硕卜论义 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包禽为获碍东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生始黄塞 日 丝肇啦弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南：大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 驯诎魏赴蛳签名出! ：鬟日期：塑避塑呈焉 东南火学0 2 级硕= i ：论文 1 1 l e d 显示屏 第一章绪论 l e d 显示屏作为广播、电视、报纸、杂志之后的又一种新型传播媒体，可以实现视频、音频、 数据及其它信息接收、存储、管理剁最终的显示播放。它采川先进的多媒体技术和专用软件，可以 通过计算机键盘、扫描仪、录像机、摄像机等输入中西文字，图形视频图像等。由计算机发出的信 息和控制信号，通过控制器和行列驱动电路，控制屏体上发光二极管的亮暗状态，从而在显示阵列 上显示山多色、多灰度生动活泼的绚丽多彩的各种画面。l e d 显示屏目前在商场、体育馆、车站、 医院、银行、证券期货交易所等处都有日蕊广泛的应用。 计算机显示器上的图像是由一个个象素组成，并根据显示象素的多少实现诸如6 0 0 行8 0 0 列、 7 6 8 行1 0 2 4 列等分辨率的图像的显示。而每个象素可以显示红、绿、蓝三种基本颜色，随着红、 绿、蓝二种基本颜色色度信号的强弱变化，该象素显示不同的颜色。l e d 显示屏就是用单个的l e d 发光管米实现一个象素的一种基色，如果单色屏每个象素对应一个l e d 发光管，如果是全彩屏每个 象素对戍二个分别发红、绿、监二种基本颜色的发光管。将l e d 显示屏上的l e d 发光管全部点亮 就可以显示出与计算机显示器相同的图像。 在实际应用中，l e d 显示屏应用场合多种多样，而且客户的需求也各不相同。因此，l e d 显示 屏系统种类繁多，根据基色个数可分为单色屏、双色屏和全彩屏，根据显示实时程度可分为异步屏 和同步屏，根据扫描模块的划分可分为1 4 扫描、1 8 扫描和l 1 6 扫描等等，而且屏体大小和分辨率 也有很多种。目前戍用最多的是l e d 异步屏，就是将计算机上的若干幅图像的数据传送到控制系统， 并存储在控制系统的存储器中，在与计算机脱离连接的情况卜仍然可以显示图像。 1 2 可编程逻辑器件和e d a 技术 可编科逻辑器1 ，| ：是随着电子技术的不断发展而出现的一种特殊的专用集成电路( a s i c ) ，主要 包括c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g j cd e v i c e ) 汞if p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，两者 的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们常常忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器 什或者c p l d f p g a 。c p l d 芯片多采州乘积项( p r o d u c t t e r m ) 结构，采用e e r o m 或f l a s h 工艺。 例如a l t e r a 的m a x 7 0 0 0 、m a x 3 0 0 0 系列，x i i i n x 的x c 9 5 0 0 系列，通过下载电缆将程序写入芯片 后，人都能永久的保持现有结构；而f p a g 芯片多采用查找表( l o o k u p t a b l e ) 结构，采用s r a m 或f l a s hl ：艺，掉电后原有科序随即丢火，所以需用配置芯片保存程序。p l d 分解组合逻辑的功 能很强，一个宏单元就可以分解十儿个其至2 0 3 0 多个组合逻辑输入，冈此，p l d 适合州丁设计译 码等复杂组合逻辑。但f p g a 的制造j ：艺确定了f p g a 芯片中包含的l u t 和触发器的数量1 卜常多， 而c p l d 一般只能做到5 1 2 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，f p g a 的平均逻 辑单元成本人人低丁p l d 。所以如果设计中使用到火量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那 么使川f p g a 就是一个很好选择。 可编稗逻辑器什的设计方法多种多样：可川硬什描述语言，如v h d l 、v e r i l o gh d l 和a h d l 等，也可以川原理图或模块图的方法殴计。程序编写、编译结束后可通过仿真查找到设计的错误， 待修止错误斤可通过下载电缆或专刖卜载设备将烧写程序。卜载到芯片中，发现错误后可以在系统编 样，随时修改设计。可编稗逻辑器什止是凭借相对灵活的设计方法、较短的设计周期和低廉的设计 东南火学0 2 级硕：j ：论义 成本在a s i c 领域扮演越来越重要的角色。 图1 1 可编程逻辑器件设计流程 电子殴计白动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 是指利川计算机系统完成电子系统的设计。e d a 技术以计算机为设计小具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等繁琐的工作。 设计人员只需完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件进行处理，得到设计结果，使得电子系 统的设计如同软什敬计一样方便，可以人人的提高设计效率。 e d a 技术的发展主要经历了三个阶段：使设计人员从繁琐的计算和绘图中脱离出来的c a d 阶 段，往集成电路利电子i 殳计方法学以及设计t 具集成化方面取得大量成果的c a e 阶段，现在以高级 语言描述、系统综合禾仿真为主要手段的e d a 阶段，目前e d a 技术主要有以下特征： 高层次的理论和方法取得较人进展，将e d a 设计层次由寄存器级提高到系统级； 采用硬件描述语言来描述电路的逻辑功能，并形成了v h d l ( v e 叫h i 曲s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th d l ) 和v e r i l o gh d l 两种标准硬件描述语言 随着a s i c 的规模与复杂性的增加，测试难度与费用的急剧上升，产生了将可测性电路制 作在a s i c 芯片上的想法，并开发了扫描插入、内建白测试( b l s t ) 、边界扫描等可测试 性没计( d f t ) j i ：具： 采川平面规划技术对逻辑综合利物理版图设计进行联合管理： 为带有嵌入l p 模块的a s i c 设计提供软硬件协同系统设计下具； 2 1 】 1 3 可编程片上系统 随着微电子制造工艺在近些年的发展，可编程逻辑器件取得了k 足的进步。在二十世纪九十年 代末，可编科逻辑器什的复杂度已经能够往单个可编程器件内实现整个系统的功能。完整的单芯片 系统( s o c ) 概念是指在一个芯片中实现用户定义的系统，它通常包含微处理器、总线、片内存储 2 东南人学0 2 级硕：l ：论文 器利外设控制器。在2 0 0 2 年，a l t e r a 发布了n i o s 软核处理器，并针对n i o s 软核提出了单芯片解决 方案，这是最初：宣称的可编程单芯片系统( s o p c ) 能够提供基于可编程逻辑的处理器系统解决 方案。n i o s 也成为业界第一款可编科逻辑优化的可配置处理器。 这是一种把可编程逻辑的j 州有优势集成到嵌入处理器的开发流稃中，一旦定义了处理器之后， 设计者就“具备”了体系结构可放心使用。因为p l d 和嵌入处理器随即就生效了，所以接下来就 可以开始软件的设计。c p u 周边的专川硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行 测试，解决遇到的问题。另外，软什组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率和或处理器性 能，这些软件硬件权衡可以在硬1 ，i ：设计过程中间完成。这种全新的设计思路使得系统设计变的相当 灵活，硬件系统的设计也更加趋丁软中j ：化，系统的升级换代更加方便。 1 】 a i t e r a 公司将n i o s 软核处理器以免费i p 核的形式提供给州户并在其开发：】：具q u a r t u si i 中集 成了的s o p c 的开发j ：具s o p cb u i l d e r 。在该1 ：具的辅助一卜，设计者可以非常方便地完成系统集成， 软硬什协同设计和验证，摄人限度地提高电子系统的性能，加快设计速度和节约设计成本。 本次设计川s o p c 的设计思路米重新对l e d 显示屏异步控制系统进行设计，用基于n i o s 软核 的控制系统取代以往的异步控制系统，在一片f p g a 上实现整个系统的绝大部分功能。这样以来， 可以在硬什电路基本保持不变的情况卜，将系统的若异体现在f p g a 芯片内部的设计，整个系统规 范可以j 卉i 定卜来，这样更便丁测试利维修。如果系统需要更新升级，只需重新对f p g a 芯片进行配 置即可。 东南人学0 2 级硕十论文 第二章异步l e d 显示屏系统 以异步模式显示的l e d 显示系统主要由以下三部分构成： 1 )计算机上的显示管理软什： 2 )负责图像序列数据的存取、转换和发送的控制系统； 3 )显示屏部分，包含l e d 显示阵列、行列驱动电路和电源； 卜图显示了一个完整l e d 显示系统的构成： r 一一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 i l i 2 1 显示管理软件 控制系统 一一一一一j 图2 1l e d 显示屏结构 计算机上的显示管理软什，主要功能是编辑图像显示序列和与控制系统通讯。用户对希望在显 示屏显示的l 釜i 像和文字进行编辑，选择显示方式和特技效果，然后将这些信息转换成一个图像序列， 通过串口或以太网传送给控制系统。 4 东南火学0 2 级硕士论文 图2 2 上位机软件类图 上图是异步屏的上位机软什类图，软件由m o d e l m a k e r6 0 建模，d e i p h i7 0 编写，其中主要由四 个部分组成： 1 播放表部分：该部分建立一个t s c r e e n 类，其中包括屏像素：t l e d i m a g e ，屏转场特技号：f x n o 。 其中t l e d i m a g e 可以继承白d e l p h i 的t c a n v a s 或者t b i t m a p 。异步屏的上位机软件主要的处理 对象就是各种图片利转场特技，冈此可以用t s c r e e n 类来描述每一屏的变化。明确了对象后， 利川t o b j e c t l i s t ( 对象列表) 组什来实现一个t p l a y l i s t 类。t 0 b j e c t l i s t 是d e l p h i 中用于对象 东南大学0 2 级硕：1 ：论文 管理的一个组什，可以动态管理对象的数据该组件会在内存中建立一个动态表，允许添加、 删除、插入对象，并实现对象的排序，查找和生存期的管理。利用t o b j e c t l i s t 组件设计的 t p i a y l j s t ，符合j = i j 户对一个列表修改的习惯，很容易就能实现用户对播放列表所进行的操作， 同时也为将米软件的升级留卜了空间。 2 界面与业务部分：在软件的设计上中设置了一个i u s e r 的接口，使用这个接口的目的就是将基 丁界面与业务分离的原则，设计一个t u s e r 类来负责处理来白f o r m 的操作并调用p l a y l i s t 的各 方法。并没计了一个l u s e r 的接口，这样做可以使用户界面的修改变得非常方便。实现i u s e r 接口的方法有很多种，最常用的如c o m + 技术。在d e l p h i 中，也可以利用系统提供的m i d a s 技术米实现该接口。 3 通讯部分：在通讯部分首先定义了一个抽象类t c o n n e c t i o n ，t u s e r 中涉及到通讯的操作全部交 由c o n n e c t i o n 来完成。再从t c o n n e c t i o n 继承得到三个子类，图中分别为t u a r tl e d ， t u s bl e d ，t e t h e m e tl e d ，根据实际情况，只对其中的t u a r tl e d 作明确的编写。这样做 的好处是为了软件可以适应各种通讯接口，当卜1 ： 7 = 机与上位机的通讯方式发生变成时，只需要 编写通讯部分的代码，而无须改动软件的其它部分。t u s bl e d 和t e t h e m e tl e d 则分别对应 u s b 通讯和以太网通讯。通讯部分还包括一个协议类t c o n n p r o t o c o l ，这个类负责软件与下位机 交换数据时的字符串与t s c r e e n 类之间的翻译，并且能够将协议以i n i 文件的形式保存。定义了 t c o n n p r o t o c o l 类之后就可以实现发送与协议的分离，用户只需自行修改i n i 文件，就可以适应 不同的通讯协议。 4 数据库部分：软件允许川户将 | 蒲放列表保存为文本格式，同时也考虑到了数据库的应用。对数 据库部分的处理类似于通讯部分，使用了一个抽象类t d a t a m o d u i e 来统一对各种数据库的访问 形式，并在结构中预置了两种数据库连接形式：刚a d o 技术访问数据库和c i i e n t d a t a s e t 瘦客 户端数据库。由丁这两个数据库连接都是继承自先前定义的t d a t a m o d u l e ，不同数据库之间的 切换并不会影响软什的其它部分。 2 2 异步控制系统 作为l e d 显示屏系统的核心部分，控制系统直接决定了l e d 显示屏的显示效果。在实际应用 中，控制系统的功能主要有两个： 1 接受上位机发送的数据，存入图像序列存储r a m ，然斤以乒乓的方式将一幅图像的数据载入 辅助r a m 。进行相应的地址变换，转换数据的格式，然后将数据串行发送到屏体： 2 通过一定的算法进行数据读取，实现图形的特技显示效果，例如图形左右移动，百叶窗覆盖， 中心开花等； i 、图是一种基丁单片机利c p l d 的控制系统，我们以这个控制系统为例，对l e d 显示屏异步控 制系统进行说明。 6 东南人学0 2 级硕- j ：论义 图2 3 基于单片机和c p l d 的控制系统 从功能角度划分，这个控制系统可分成两个部分：基丁m c u 的数据接收、存储部分和基丁c p l d 的时序产生部分。 由m c u 与p c 机通讯，接收图像数据序列并存储在主r a m 中。通讯结束后开始显示，由时序 产生部分从辅助r a m l 中读取一幅图像( 第一次读取的是无效数据) ，将这些按字读取的数据转换 成串行数据，同时产生上屏时钟r c k 、消影信号r e s 、行选择信号a 、b 、c 、d 和行锁存信号s t r ， 再经过分配板，由这些控制信号控制屏体上的驱动电路将图像显示出来；与此同时，m c u 要通过 c p l d 提供的通路对辅助s r a m 2 进行写操作，将一幅完整静态图像的数据存储进去，当两个操作都 结束斤，切换辅助s r a m ，读取s r a m 2 中的数据，同时由m c u 对s r a m l 进行写操作，切换的仲 裁权由时序产生部分掌握。除了这个基本功能外，控制系统还要实现诸如左右移动、中心开花等特 技显示，这些特技显示是由m c u 根据一定的算法、非连续的渎取存储器而实现的。 7 东南人学0 2 级硕17 论义 图2 4 控制系统的功能模块图 上幽显示了这种控制系统的功能模块图，可以看出这种控制系统结构简单，功能部分相对独立， 数据接收存储部分利时序产生部分间的时序也相对简单。所以本次设计就是针对这种控制系统，用 n i o s 软核取代单片机，削f p g a 芯片中的剩余资源取代c p l d ，在一片f p g a 芯片中实现整个系统 ( 图像序列存储器除外) 的功能。 2 3 显示屏部分 显示屏的屏体由l e d 显示阵列羽i 彳亍列驱动电路组成。 l e d 显示阵列是由单个或多个发光二极管( l e d ) 组成像素构成的面积点阵。单色屏多采用一 个红色或绿色l e d 发光管构成一个象素，整个屏幕只能显示一种红色或绿色图像；双色屏多采用一 红一绿两个l e d 发光管构成一个象素，若红绿同时点亮可显示出黄色，所以可以显示出包含红、黄 绿三种颜色的图像：全彩屏由红、绿、监二个l e d 发光管构成一个象素，与显示器的显示原理相同， 通过红绿监二种颜色不同光强实现图形色彩的还原再现，可以显示出各种色彩的图像。 驱动电路的主要作用是接收来臼控制系统的数字信号，使每个l e d 发光管按要求点亮或熄灭。 从实现信息刷新的原理上分，l e d 显示屏驱动电路可分为扫描型和锁存型两种模式： 1 ) 扫描型 扫描型驱动是指显示屏的每4 行、8 行、1 6 行等n 行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过 行驱动管的分时i ：作，使得每行l e d 的点亮时间【j 4 总时间的l n ，只要整屏的刷新频率大于5 0 h z ， 利川人眼的视觉暂留效应，就可形成一幅完整的文字或者画面。这种设计电路结构比较简单，使用 的元器1 ，j ：较少，成本较低，但是由丁是分时1 ：作，使得每一行l e d 点亮时间减少，从而导致整个 l e d 显示屏的亮度卜降。这种驱动方式控制的显示屏一般州丁室内等对亮度要求较低的场合。 2 ) 锁存型 锁存型驱动是指显示屏上的l e d 都对应丁一个驱动电路，与扫描型不同的是，驱动寄存器无需 分时i ：作，每个l e d 的亮度- j i 空比接近1 0 0 ，使得整个显示屏的亮度大幅体提高。锁存型驱动如 果选圳通川集成l 也路，如7 4 h c l 6 4 、7 4 h c 5 9 5 、m c l 4 0 9 4 、7 4 l s 3 7 3 等作为装载数据的器件，则所 川器什数鼙较多、成本较高；如果采川专h j 型l e d 驱动集成电路，则会大大减少所用器件数量、大 幅降低成本。一般室外l e d 显示屏多州锁存型驱动。 、图是扫描邳驱动电路的基本原理。左面时序图中的t 1 和t 2 表示两个脉冲周期，在脉冲周期 t 1 的期间内，l e d 处丁发光状态，而在脉冲周期t 2 的期间内，l e d 处于熄灭状态。 8 东南火学0 2 级硕1 ：论文 t t 幽2 5 扫描驱动原理 由丁l e d 发光管本身没有余辉效戍，当扫描周j j jt ( t l + t 2 ) 较火时，即亮暗重复的频率不够快 时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁：当闪烁频率较高，即t 较短时，由于人眼的视觉暂留 效应，闪烁感消火，人眼观察到的l e d 就连续稳定的发光。实践证明，在常规的亮度下，当t q o m s ， 即重复频率 5 0 h z 的时候，l e d 的显示就不会给人以闪烁的感觉。【1 4 】 9 东南大学0 2 级硕：l 论文 第三章 nio s 处理器及a v aio n 总线 3 1n i o s 处理器概述 n i o s 处理器是一种可配置的、1 6 位指令集结构的、通用的r i s c 嵌入式处理器，它是一个非常 灵活利强人的处理器方案。作为一种可配置的通j jr l s c 处理器，它可以与用户自定义逻辑( u s e r l o g i c ) 结合构成片上系统( s o c ) ，一卜载到a i t e r a 的可编程器件中。嵌入式设计师使用s o p cb u i l d e r 系统开发一i j 具可以创建一个定制的处理器系统。利用s o p cb u 1 d e r 将一个或多个可配置的n i o s 处理 器与许多标准外设集成在一起，并将这些模块通过a v a i o n 交换式总线连接在一起。 n i o s 处理器针对a l t e r a 可编稗逻辑器件和可编程单芯片系统的设计思想而优化，具体结构如下 幽所示： l n s 仃u c l l o n a d d e s s n s t u c c 帅 i n c o l c k w 甜 r e s e t 图3 1n i o s 处理器结构 r 伐d ，w 嫩e 8 y l e e 晌埘e 0 妇o m d a ba d 由e s s d 翻矗呐 i r q i r q n 埘1 _ i b e r 可配置的n i o s 处理器( 1 6 位或3 2 位数据宽度) 是基丁n i o s 处理器系统的核心，它可以被配置 成各种j “泛的戍川。例如，一个1 6 位数据位宽度的n i o s 处理器，配合一个很小的片内r o m ( 芯片 内的存储器块可以被配置成r o m ) 而实现的序列发生器或控制器，可以替代一个硬核的状态机。另 外_ 个例子是一个3 2 位数据宽度的n i o s 处理器配合流外没、硬件加速单元，还有定制指令，就 可以实现一个3 2 位的嵌入式处理器系统。 n i o s 处理器不同丁目前市场上其它软核处理器方案，它具有独有的特性如定制指令和并发的支 持多土殴备的a v a l o n 交换式总线。这些特性使用户可以使川简单的非传统的方法来加速和优化他们 的设计。 1 0 东南人学0 2 级硕： j 论义 豪。鼻避嗡骢蹙瑾巷鼍i 萎帕魂毪 数据总线宽度( 比特) 3 2 16 算敦逻辑单元( 磊l u ) 位宽【比特 3 2 16 内备寄存嚣位宽【比特) 3 216 地址总线宽度( 比特) 3 216 指令位宽( 比特) 1616 逻辑单元( l e ) ( 奥墅) 盟 少于1 4 0 0少于1 0 0 0 f m a x 趔 超过1 8 0m h z超过18 0 ，m h z 表3 13 21 ：f 7 ：和1 6 位n i o s 处理器在典型配置情况+ 卜的对照表 n i o s 处理器采川1 6 位指令系统，其指令集有以卜特点： 拥有较人的寄存器文什，并以寄存器窗口的形式组织 n i o s 处理器包含5 1 2 个内部通心寄存器，编译器使用这些寄存器来加速子程序调用和本地 变量的访问了： 简单完整的指令集 3 2 位和1 6 位的n i o s 处理器都使用1 6 位宽的指令，可以减少代码的长度和指令存储器的带 宽： 强人的寻址能力 n i o s 指令集包括加载( 1 0 a d ) 利存储( s t o r e ) 指令，可以使用编译器来加速对结构利本地 变量的访问： 良好的可扩展性 川户可以直接将白己的逻辑单元，以用户定制指令的形式加入到n i o s 算术逻辑单元( a l u ) 中在软什开发包( s d k ) 中，系统会相应生成访问该定制指令的宏： n i o s 处理器采h j 五级流水线结构，并具有分离的指令和数据存储器端口。指令和数据存储器的 控制端口都作为a v a l o n 总线的主端口。通过s o p cb u 1 d e r ，川户可以把n i o s 的a v a l o n 总线控制端 口和任何总线的从端口( 如存储器和外改) 互联起来，s o p cb u 1 d e r 会自动生成总线仲裁器。 1 】 3 1 1 总线主端口 冈为n i o s 处理器采川哈佛结构，其指令总线和数据总线是相互独立的。因此，n i o s 的指令主端 口有两种：指令总线土端口和数据总线主端口。 n i o s 指令总线主端口是1 6 伉宽、支持延时的主端口，这个主端口只负责从存储器中读取指令， 不执行任何弓操作。冈为主端口支持延时操作，所以对慢速延时的存储器设备，它能执行延迟的读 操作。指令士端口可以在上一条被取山的指令返同之前，发出新的读取请求。n i o s 处理器采用“假 设无分支的”的预测方法米生成希望读取指令的地址。支持具有操作延时的存储器，使得存储器延 时对处理器的影响达到最小，并能在整体上提高系统的最高频率。只有分支预测失败的时候，延迟 才会较人。当访问慢速存储器的时候，n i o s 指令主端口采川片内缓存来提高平均取指速度。 s o p cb u 1 d e r 臼动产生的a v a l o n 总线，包括动态地址对齐逻辑，能自动的与外殴的字宽对齐。 冈此，n i o s 指令士端口能够连接8 、1 6 、3 2 位宽的存储器。 n i o s 的数据总线主端口有两种何宽：对于3 2 位体系结构，n i o s 数据主端口是3 2 位宽：对于1 6 何体系结构，则为1 6 位宽。 数据总线土端口有以卜二个川途： 当处理器执行一个数据加载指令( l d ，l dp ，l d s ) 时，从存储器中读取数据： 东南火学0 2 级硕? l ：论文 当处理器执行一个数据存储指令( st s t p s t s ，s t 8 s ，s t 8 d ，s t l 6 s ，s t l 6 d ，s t s 8 s ，s t s l 6 s ) 时，向存储器中写入数据； 在软件异常或者硬件中断时，从中断向量表中读取中断向量： 3 冈为在取得数据之前预测数据地址或继续执行指令是没有意义的，所以n i o s 数据主端口不支持 延迟操作。冈此，数据主端口把从端口的延迟看作是等待周期。当n i o s 数据主端口被连接到零等待 周期的存储器时，数据加载利数据存储操作能在单个时钟周期内完成。为获得最高的性能，在数据 主端口和指令主端口共享的从端口上，必须使数据主端口优先级最高。 3 1 2 移位和乘法支持 n i o s 处理器使川同定的不可配置的桶形移位逻辑来执行所有的移位指令 ( a s r ，a s r i ，a s l ，a s l i ，l s l ，l s l i ，r l c ，r r c ) 。移位操作一般需要两个时钟周期，与移位位数无关。 n i o s 处理器中川三种方法来实现整数乘法： ( 1 ) m u l 指令 3 2 位n i o s 处理器可配置一个便什l6 l6 一 3 2 的整数乘法器。这个整数乘法器使m u l 指令可 以往二个时钟周期内得到3 2 位的结果。当m u l 选项被选中时，m u l 指令使用由s d k 自动产生的 c 语言运行支持库来实现乘法运算。1 6 位n i o s 处理器不支持m u l 指令。 根据使川器件的不同，m u l 指令需要1 到3 个时钟周期。对丁s t r a t i x 、s t r a t i x i i 系列芯片，因 为有专川硬件乘法器，该指令仅需要单个时钟周期就可完成。而对于其它系列芯片，要用通用逻辑 米实现硬什乘法器，这时m u l 指令通常需要三个指令周期。 ( 2 ) m s t e p 指令 n i o s 处理器通过配置一个硬什乘法单元来实现部分1 6 1 6 的乘法运算。此硬件单元利用m s t e p 指令在两个时钟周期内产生一部分乘法结果。当m s t e p 选项被选中的时候，s d k 会自动生成c 语 言运行支持库米实现乘法操作。它通过连续的m s t e p 操作序列来实现乘法操作，对于1 6 1 6 3 2 需要1 6 个连续的m s t e p 指令米实现。实现m s t e p 所需要的硬件逻辑资源最少，少于c p u 逻辑的 总资源的5 。由丁数量比较小，冈此一般的乘法操作默认选择m s t e p 选项。1 6 位n i o s 处理器不 支持此项。 ( 3 ) 软件乘法器 当m s t e p 和m u l 选项都没有被选择时，由s d k 自动产生的c 语言运行支持库使j = i ；i 移位和加 指令米实现整数乘法。软件乘法器消耗的c p u 逻辑资源最少，但其执行速度最慢。3 2 仿n i o s 处理 器和1 6 何n i o s 处理器都支持此项操作。 3 1 3 中断 n j o s 处理器在中断方面的特性是允许用户取消对陷阱指令、硬中断和内部异常的支持。这样做 的目的是把n i o s 系统配置成一个最简单的控制系统，不运行复杂的软件，这样提高运行速度和可靠 性，减少硬f ，j ：资源的消耗。在这种配置+ 卜 n i o s 处理器不包括i r o 输入引脚，无异常处理，当加载 或者存储指令使寄存器文件溢出时，不产生异常。 当有如卜要求时可以取消陷阱指令、硬中断和内部异常： ( 1 ) 需要最小化的n i o s 处理器 ( 2 ) 确信戍川软件不会产生寄存器窗口的溢出异常，即子程序调用深度小于寄存器窗口数 ( 3 ) 系统内没有任何硬件中断源 ( 4 ) 汇编语言代码不包含陷阱指令 1 2 - ， 东南人学0 2 级硕1 ：论文 3 1 4 缓存 n i o s 处理器中的指令主端口包含一个可选指令缓存，数据主端口包含有一个可选的数据缓存。 通过s o p cb u 1 d e r 中的n i o s 处理器配置向导，用户能为系统配置指令和数据缓存，缓存位于芯片内， 人小可配置。 指令缓存和数据缓存都采川最简单的直接映像方式，在系统运行时，可以完成对n i o s 处理器的 控制寄存器进行设置，以禁- j 卜指令或数据缓存。 当缓存有效时，缓存命中会使存储器加载操作在单个时钟周期内完成。而缓存不被命中才会引 起额外的延迟。当禁l 卜缓存时，存储器的访问不会引起额外的延迟。而当使用缓存时，存储器的存 储操作将导致一个或者两个额外的延时周期。同时需要指出的是，指令缓存仅仅在3 2 位n i o s 处理 器系统中才能实现。而n i o s 处理器的缓存也仅仅在s t r a t i x 、s t r a t i xg x 、s t r a t i x i i 和c y c l o n e 系列芯 片中才能设置。 3 2 n i o s 具体结构 3 2 1 内部寄存器 n i o s 处理器中的内部寄存器包括：一个通用寄存器文件，多个内部控制寄存器，一个程序计数 器，以及一个刚丁前缀指令的k 寄存器。 ( 1 ) 通川寄存器文件 在3 2 位n i o s 处理器中的通用寄存器是3 2 位宽的。寄存器的火小可以配置为1 2 8 个、2 5 6 个、 或者5 1 2 个寄存器。软件通过滑动窗口( 3 2 个寄存器宽度) 来访问内部寄存器，每次窗口的滑动步 k 为1 6 个寄存器。滑动窗口能遍历整个寄存器文件并且对其子集进行访问。 寄存器窗口被分为4 个相连的部分，如下表所示： 输入寄存器r 2 4 3l 或i 0 i 7 局部寄存器r l6 r 2 3 或l o l 7 输出寄存器 r 8 r 15 或0 0 0 7 全局寄存器 r o 蝴r 7 或g o 9 7 表3 2 寄存器组 最低8 个寄存器( r 0 r 7 ) 是全局寄存器，也被称作9 0 9 7 。全局寄存器并不随窗口位置 的移动而变化，而是一直作为9 0 9 7 被访问的。寄存器文件上面的2 4 个寄存器( r 8 r 3 1 ) 可 以通过当前的窗口访问。最上面的8 个寄存器( i 0 i 7 ) 被称为输入寄存器( i nr e g i s t e r s ) ，接下 米的8 个寄存器( l 0 l 7 ) 被称为局部寄存器( l o c a lr e g i s t e r s ) ，另外8 个寄存器( 0 0 0 7 ) 被称为输出寄存器( o u tr e g i s t e r s ) 。 当一个寄存器窗口向卜移动1 6 个寄存器时，输出寄存器就变成了新窗口位置上的输入寄存器， 使得新滑动窗口上的局部寄存器利输入寄存器不可访问。 ( 2 ) 控制寄存器 n j o s 处理器中含有五个独立的控制寄存器，r d c t l 和w r c t l 指令是唯一可以读弓这些控制寄 存器的指令。但是为了提高软什效率，n i o s 把一些重要的寄存器位虚拟成寄存器，使得对齐操作只 需要一个时钟周期就可完成，但是这样得寄存器不算独立的控制寄存器。 1 s r a t u s 寄存器( c t l 0 ) 东南人学0 2 级硕：i j 论文 1 71 61 51 41 31 2l l1 098765432lo d ci ci ei p r ic w pnvzc 表3 3s w 汀u s 寄存器 d c ( d a t ac a c h ee n a b l e ) 是数据缓存使能位 i c ( i n s t r u c t i o nc a c h ee n a b l e ) 是指令缓存使能 i e ( i n t e r r u p te n a b i e ) 是中断使能 i pr i ( i n t e r r u p tp r i o r i t y ) 是正在处理的中断的优先级 c w p ( c u r r e n tw i n d o w sp o i n t e r ) 是当前寄存器窗口指针，指向通用寄存器文件的滑动窗口底部 s t a t u s 寄存器的最低的4 位是条什码标志，一些指令可以改变条件码标志。具体见下表： 标忐位结果 n3 结果的符号，即最高有效位 v 2算术溢出 z1结果为零 c0加法的进位，减法的借位 表3 4 条件码标志 2 i s t a t u s 寄存器( c t l l ) i s t a t u s 是s 耵汀u s 寄存器的临时堆栈，当出现异常时，s n 汀u s 寄存器中的内容被复制到 i s w 汀u s 寄存器中，这种机制使得