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哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 基于n i o s l i 的多处理器设计及应用 摘要 随着工业的快速发展，人们对多处理器性能的要求越来越高。但由于生 产技术的限制，传统通过提升工作频率来提升处理器性能的作法目前面临严 重的阻碍。高频c p u 的耗电量和发热量越来越大，给整机散热带来十分严 峻的考验。引入多处理器技术是提高处理器性能的最有效的方法。 多处理器系统中的关键问题是多处理器间通信和共享资源问题。本文提 出了五种解决n i o s l l 软核多处理器间通信和资源共享的方案。对每种方案 进行研究，并在a l t e r a 的c y c l o n e l i 开发板上进行验证测试，结果表明多处 理器间的通信得到了和很好的解决。并得出了各种方案的比较结果，提出了 各种方案的应用领域和性能优势。 根据各种方案的比较结果，由于互斥硬核方案适合多处理器间的大量数 据交换，所以选择了互斥硬核方案设计了基于n i o s l i 多处理器的数据采集 系统。三个n i o s i l 软核负责不同的数据采集任务，并行工作，从而大大提 高了数据采集的速度。给出了外围电路设计和g p r s 终端模块设计。把 g p r s 网络应用到数据采集中，采用嵌入式g p r s 模块的拨号方法，从系统 的配置和a t 指令的实现进行了较详细的探讨。实现了g p r s 模块的拨号程 序设计。研究了国际点对点( p p p ) 协议，揭示了建立p p p 连接的实质，分 析了系统组成部分的功能和系统的通信方案的选择，给出了拨号程序流程图 和具体程序，完成了g p r s 网络的设置和数据的传输。 f p g a 的功能强大、开发过程投资少、周期短、可反复编程修改； n i o s i i 具有高性能、低成本、可配置、易使用等优点。n i o s l i 多核处理器在 f p g a 中易于实现，并且多核之间的通信可选方案较多，适应范围广。相信 会在越来越多的系统中采用。 关键词s o p c ；n i o s i i 多核处理器：数据采集；g p r s 哈尔滨理工大学r t 学硕 + 学位论文 d e s i g na n da p p l i c a t i o n o fm u l t i p r o c e s s o rb a s e do n n i o si i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，p e o p l eh a v em o r ed e m a n d so n t h e m u l t i p r o c e s s o r sp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，b e c a u s e o ft h ec o n s t r a i n t so f p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，t r a d i t i o n a lw o r ka r ef a c i n gs e r i o u so b s t a c l e st h r o u g h i n c r e a s e i n gt h ef r e q u e n c yo fp r o c e s s o rf o rp e r f o r m a n c e t h eh i g l lf r e q u e n c y c p u sp o w e rc o n s u m p t i o na n dh e a ti si n c r e a s i n g t h ei n t r o d u c t i o no fm u l t i p r o c e s s o ri st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h ep r o c e s s o r sp e r f o r m a n c e t h ek e yp r o b l e mo fm u l t i p r o c e s s o rs y s t e mi sc o m m u n i c a t i o na n ds h a r i n go f r e s o u r c e s t h i sp a p e rp r e s e n t sf i v es o l u t i o n so fc o m m u n i c a t i o na n ds h a r i n g r e s o u r c e sb e t w e e nm u l t i p r o c e s s o r s e a c hs o l u t i o ni sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p m e n t i na l t e r a sc y c l o n e l ib o a r d ，t h em u l t i p r o c e s s o ra n dc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e n s a t i s f a c t o r i l yr e s o l v e d t h ep a p e rp r e s e n t sf i v es o l u t i o n s sa r e a so fa p p l i c a t i o n a n dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s f i n a l l y ，i na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so ft h ev a r i o u ss o l u t i o n s ，b e c a u s et h e m u t e xs o l u t i o ni sf o rt h el a r g en u m b e ro fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nm u l t i p r o c e s s o r ， t h em u t e xs o l u t i o ni sc h o o s e na sah i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp l a t f o r m b a s e do ns o f tc o r en i o s l i 3n i o s l is o f t c o r e sa r ef o rd i f f e r e n td a t aa c q u i s i t i o n t a s k sa n dp a r a l l e l s ot h es p e e do fd a t a a c q u i s i t i o ni s i n c r e a s e dg r e a t l y t h e e x t e r n a lc i r c u i ti sg i v e na n dg p r st e r m i n a lm o d u l ei sd e s i g n e d g p r sn e t w o r ki s a p p l i e dt od a t ac o l l e c t i o n ，u s i n gt h em e t h o dw h i c he m b e d d e dg p r sm o d u l ed i a l u p ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dt h er e a l i z a t i o no fa tc o m m a n d sa r ed e t a i l e dd e e p l y t h ed i a l u p p r o c e d u r e so fg p r sm o d u l e i s c o m p l e t e d r e s e a r c h o nt h e i n t e r n a t i o n a lp o i n t - t o - p o i n t ( p p p ) p r o t o c o l ，r e v e a lt h ee s s e n c eo ft h es y s t e m f u n c t i o n so fp p pc o n n e c t i o n sa n dc o m p o n e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mf o r s e l e c t i o n ，p r o c e s s f l o wd i a g r a mi s g i v e nd i a l - u pa n ds p e c i f i cp r o c e d u r e s ， c o m p l e t e dt h eg p r sn e t w o r ks e t - u pa n dd a t at r a n s m i s s i o n n 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 f p g ai sp o w e r f u l ，l e s si n v e s t m e n ta n ds h o r tc y c l eo ft h ed e v e l o p m e n t ，n i o s l i i sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，c o n f i g u r a t i o n ，e a s yt ou s e n i o s l im u l t i p r o c e s s o r s i se a s yt oi m p l e m e n ti nf p g a ，a n dm u l t i c o r ec o m m u n i c a t i o n sh a v el o t so ft h e s o l u t i o n s 1b e l i e v ei nt h ef u t u r el o t so fs y s t e m sw i l lu s ei t k e y w o r d ss o p c ，n i o s l im u l t i p r o c e s s o r ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g p r s 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于n i o s i i 的多处理器设计 及应用，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 经智经 日期：伊纷弓月伽 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于n i o s i i 的多处理器设计及应用系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密e 2 r 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 笮呜照 搠粳 日期：潍弓月加 日期：侬弓月伽 哈尔滨理t 人学工学硕 j 学位论文 第1 章绪论 两个或多个微处理器一起工作来完成某个任务的系统称为“多处理器系 统 。传统基于单片机的多处理器系统结构复杂，可靠性差；而基于3 2 位的嵌 入式软核处理器n i o s l l 的多处理器系统解决方案，从根本上改变了多处理器系 统的设计理念和方法。本论文将对基于n i o s l l 的s o p c 多处理器系统的实现原 理、设计流程和方法进行详细的研究。在此基础上实现了一个高速的数据采集 系统，并详细论述了g p r s 模块的实现原理和方法。 1 1 课题研究背景 1 s o p c 技术微电子技术的发展，为s o c 的实现提供了多种途径。对于 经过验证而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s i c 而大量生 产。而对于一些仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c ，如果马上投入生产， 需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提 供了另一种有效的解决方案，即用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场 可编程门阵列) 来实现s o c 的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较少的 p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过程中， p l d 的结构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其 是在2 0 世纪9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片的集成度由原来的数 千门，发展到数十万甚至数百万门。芯片的i o 口也由数十个发展至上千个端 口。有的制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的口。因此，完全可能将一个电 子系统集成到一片f p g a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简单易行而又 成本低廉的手段，极大地促进了s o c 的发展。 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开 发软件q u a r t u s l i 。s o p c 是一种特殊的嵌入式系统。首先，它是系统芯片 ( s o c ) ，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系 统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可升级、可扩充，并具备软硬件在系统可 编程的功能。它结合了s o c 和f p g a 的优点，具有以下基本特征：至少包含一 个以上的嵌入式处理器i p 核；具有小容量片内高速r a m 资源；丰富的i p 核资源 可供灵活选择；有足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接口和f p g a 编程 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 接口共用或并存；可能包含部分可编程模拟电路；单芯片、低功耗；构成 s o p c 的方案有多种途径。 通过对比许多流行a s l c 产品的价位，s o p c 设计提供了成本最低的解决方 案，同时还没有沉没工程成本以及与设计转换相关的工程成本。s o p c 越来越 受到客户青睐的原因主要有：原来仅在实验室中才具有的可重新编程功能现在 延伸到产品现场部署；近年来f p g a 器件密度大幅提高，密度在1 0 0 万门以上的 现场可编程逻辑芯片已经面市，芯片规模的扩大和性能的提升为s o p c 提供了 物质基础；第四代现场可编程逻辑器件的开发工具己经成形。如a l t e r a 公司的 q u a r t u s l i ，以及s o p cb u i l d e r 的出现，极大地提高了开发人员的工作效率；知 识产权( 口) 得到重视，越来越多的设计人员以“设计重用 的方式对现有软件 代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时间；由于连接延迟 时间的缩短，片上可编程系统能够提供增强的性能，而且由于封装体积的减 小，产品尺寸也随之减小；设计成本和风险直线下降。 与a s i c 设计费用和成本不断增加的情况相反，随着f p g a 容量和系统功能 的不断增加，s o p c 必将成为的a s i c 替代方案让1 。 2 多处理器技术使用a l t c r a 公司的n i o s i i 软核处理器和s o p cb u i l d e r 工 具，可以快速地设计和建立共享资源的多处理器系统。多处理器系统一般用于 工作站和使用分载( 1 0 a d s h a r i n g ) 复杂算法( 称为“对称多处理器s m p ) 的高端 p c 计算。对于大部分嵌入式系统，当s m p 的开销太大时，使用多个处理器执行 不同的任务，实现不同的功能正引起越来越多的关注。a l t e r a 公司的f p g a 为开 发非对称的嵌入式多处理器系统提供了一个理想的平台。为了提供理想的系统 性能，使用s o p cb u i l d e r 工具可以很容易地对硬件进行修改和调整，从而很快 完成不同配置系统的设计、编译和评估。 从目前来看，多核处理器的推广还受到一定程度的限制，如一些桌面应用 尚不支持多线程、多核处理器价格相对偏高、应用开发工具不成熟等。随着应 用需求的扩大和技术的不断进步，多核必将展示出其强大的性能优势。但是多 核处理器是处理器发展的必然趋势，无论是移动与嵌入式应用、桌面应用还是 服务器应用，都将采用多核的架构，因此我们可以肯定地说多核技术应用前景 广阔。 3 g p r s 技术概述g p r s 是通用分组无线业务的简称，作为第二代移动 通信技术g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 向第三代移动通信 ( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s m p h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业 哈尔滨理t 大学t 学硕 j 学位论文 务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增 加一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、 广域的无线口连接和x 2 5 服务。通俗地讲，g p r s 是一项高速的数据处理技 术，它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高 速数据业务，包括收发e - m a i l 、i n t e m e t 浏览等。g p r s 提供了强大的网络，又 能与i n t e r n e t 进行无缝连接，它的覆盖面广大，基本上所有的城镇以及绝大部 分农村都被覆盖。因此完全可以把该方法运用于数据采集场合。 g p r s 比原有g s m 的性能有了很大提高，突破原有一个用户只能占用一 个信道的局限，使一个用户可以占用8 个信道，通过c s 4 编码方式( 每信道理 论速率为2 1 4 k b s ) ，理论可达最大传输速率为1 7 1 2 k b s 。平均的实际应用速 率跟普通电话线m o d e m 差不多，大约在2 0 k b s 到4 0 k b s 之间，这样的速度已 足以满足数据采集的需要。 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，构成g p r s 系统的方法需要在现 有的g s m 网络中增加一些接点：g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d 0 g p r s 网关支持节点、s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) - g p r s 业务支持接 点和p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i t ) 分组控制单元，s g s n 、g g s n 有时又合成为 g s n 。g g s n 在g p r s 网络和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种 不同的数据网络连接，如i s d n 和u 州等。s g s n 记录移动台的当前位置信 息，并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务 区所有用户提供双向的分组路由。 g p r s 非常突出的优点是引入了分组交换能力。利用g p r s 进行数据传输 具有以下优点：g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电 信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部 署；传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，是当前g s m 网络 中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求：g p r s 接入等待时间短，可快速建立连 接，平均耗时为两秒；“实时在线 或“永远在线 即用户随时与网络保持联 系，即使没有数据传送终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常 简单、快速；用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按 照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也 不收取费用；用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语 音业务的切换有自动和手动两种方式，具体形式依据不同终端而定。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 g p r s 技术在人们日常生活和娱乐方面得到了广泛应用，g p r s 手机随处 可见，用g p r s 手机可进行高质量的通话、收发短信和彩信、进行q q 聊天、 还可拨号上网浏览网页；基于g p r s 的m o d e m 还可无线拨入i i l t e m e t ，大大方 便了人们的生活和办公。在人们的不懈努力下，g p r s 技术在工业应用中也有 出色的表现，在各种导航定位系统、物资调度、远程视频传输系统、城市水资 源检测、配电自动化和工业监控等许多大型工程项目中都得到了广泛应用，甚 至有人还把它用在电梯远程监控系统中b 1 。 1 2 课题研究意义及论文内容安排 a l t e r a 公司开发的n i o s l i 是基于s o p c 技术的3 2 位嵌入式处理器软核。 与同类型产品相比，n i o s h 更能体现s o p c 技术思想，其作为一种新技术，在 国外己经有了广泛的应用，但是在国内使用n i o s h 处理器的嵌入式设计和开发 还是处于起步阶段。开发者大多使用已经得到市场验证比较稳定的处理器产 品，对于n i o s i i 应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。 本课题研究设计了以c y c l o n e h 为核心芯片的基于n i o s h 的多处理器系统 和数据采集系统。详细的研究了n i o s h 处理器的体系结构、多处理器间的通信 和共享缓存技术。提出了几种n i o s n 多核间的通信方案并给出了几种方案的比 较结果。进一步熟悉掌握了这个领域的工作原理和系统知识。为今后的研究和 工作提供了稳定、经济而又方便的平台。这正是本课题主要完成的工作和研究 目的意义。 针对论文和设计工作，本文包括以下几章内容： 第一章，简要介绍与本课题相关的s o p c 、多处理器、g p r s 技术的概念 及发展情况，简要论述课题的意义和相关的工作内容； 第二章，详细介绍了本设计所采用的n i o s i i 嵌入式处理器特征、体系结 构、编程模式，以及n i o s i i 处理器的优势和应用领域： 第三章，设计了几种n i o s h 多处理器通信方案，并对各中方案进行验证， 对各种方案进行比较分析，得出比较结果； 第四章，根据上章比较结果，实现了一个基于n i o s l i 的多处理器系统。该 系统以互斥硬核方案为多处理器间通信方案； 第五章，设计了一个基于n i o s l i 多处理器的数据采集系统，体现了n i o s i i 多处理器技术的应用；详细介绍了g p r s 终端模块的设计和实现； 第六章，对论文和设计工作做出简要总结，并提出今后的努力方向。 哈尔滨理工人学t 学硕l j 学位论文 第2 章n i o s i i 处理器技术 2 1n i o s i l 嵌入式处理器 n i o s i i 是基于哈佛结构的r i s c 通用型嵌入式软核处理器，能与用户逻辑相 结合，编程到a l t e r a 公司生产的f p g a 中。它特别为可编程逻辑进行了优化设 计，也为可编程单芯片系统( s o p c ) 设计了一套综合解决方案。 n i o s l i 处理器、片内外设、片内存储器和片外外设的接口都在a l t e r a 公司的 芯片上实现，相当于在单片上实现了一台计算机或一个微控制器。所有的 n i o s l i 处理器系统使用统一的指令和编程方式。由于f p g a 是可编程的，在 f p g a 上实现的n i o s l i 处理器可以根据设计者的需要对其特性进行裁剪，使其符 合性能和成本的要求。f p g a 芯片的可用引脚可以由用户自己来分配，这使得 制作n i o s l l 系统的电路板变得更简单。例如，f p g a 上外部s d r a m 存储器的地 址和数据引脚在电路板上可以放到靠近s d r a m 的一侧，这样就可以缩短p c b 上的走线。对于容量较大的f p g a 来说，一个n i o s i i 处理器系统可能只占用其一 部分逻辑单元和外部引脚，剩下的资源可以用来实现n i o s l i 系统以外的功能或 其他的系统，也可以对n i o s i i 系统进行扩展，添加一些有用的外设h 1 。一个 n i o s l i 处理器系统由n i o s l ic p u 和一系列的外设组成。图2 1 是一个n i o s i i 系统的 例子。 n i o s l ic p u 技术特点：具备完整的3 2 位指令集、3 2 位数据通道和地址空 间；带有3 2 个通用寄存器；支持3 2 个外部中断源；单指令的3 2 位与3 2 位乘法和 除法结果是3 2 位；对于结果为6 4 位或1 2 8 位的乘法，提供专业指令；带有单指 令桶形移位寄存器；可以访问各种片内外设，提供与片外存储器和外设的接 口；具有硬件辅助调试模块，使n i o s i i 处理器可以在i d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o m e n t ，集成开发环境) 下执行开始、停止、单步执行和追踪 等操作；软件集成开发环境基于g n uc i c + + 和e c l i p s ei d e ；所有的n i o s l l 处理 器系统其i s a ( i n s t m c t i o ns e ta r c h i e c t u r e ) ，指令集构架都兼容；处理器性能超过 1 5 0 d m i p s 。 n i o s l i 处理器系列包括三种内核：经济型内核( n i o s l i e ) 、标准型内核 ( n i o s l i s ) 、高速型内核( n i o s l l f ) 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 1n i o s i i 处理器系统实例 f i g 2 - 1n i o s i ip r o c e s s o rs y s t e me x a m p l e 经济型的内核( n i o s i i e ) 只占用不到3 5 美分的c y c l o n e 器件资源，保留了 更多的逻辑资源给其他片外的器件。仅仅占用6 0 0 个逻辑单元，n i o s i i e 内核 定位于一类新的应用，使得将软核处理器应用于低成本的、需要低处理性能的 系统中。 标准型内核( n i o s i i s ) 具有了一定数量的专用硬件资源( 乘加器和硬件断 点) ，这些专用的硬件资源可以让处理器的运行得到大幅度提高。但是另一方 面也提高了硬件的成本，使得开发费用也跟着提高。n i o s i i s 的主要作用就是取 得性能和成本的一种相对平衡，不需要太高的成本就可以实现相对高的处理速 度。该处理器支持2 5 6 个具有固定或可变时钟周期操作的定制指令，允许设计 人员扩展c p u 指令集，通过提升那些对时间敏感的应用软件的运行速度来提高 系统性能。 高速型内核( n i o s i f f ) 器件内有比n i o s i f s 更多的专用硬件资源( 乘加器和硬 件断点) ，允许开发人员将多个n i 0 s i w 内核集成到单个器件内，使用多个软核 c p u 来分担，从而提升整个系统的处理能力而不用重新设计印刷电路板 ( p c b ) ：可以由无限个d m a ( 直接存储器存取) 通道组合起来连接到任何外设， 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 从而提高系统的性能；通过将专用的硬件加速器，添加到f p g a 中作为c p u 的 协处理器，c p u 就可以并发地处理大块的数据。以上这些先进的内核结构，决 定了n i o s l i 具有超过2 0 0 d m i p s 的性能幅。 2 1 1n i o s i i 嵌入式处理器特征 n i o s l l 是一个可配置的软核处理器。“软核一意味着n i o s l l 处理器不像 a r m 那样是由固定的硬芯片来实现，而是由软设计来实现，然后用设计文件 来配置f p g a 芯片。换句话说，a l t e r a 公司并不销售n i o s l l 处理器芯片，而是销 售空白的f p g a ，并提供n i o s l i 系统相应的l p 核，用户根据应用需要由这些l p 核 来组成n i o s l i 系统，然后将这个系统下载到f p g a 中实现。 一 n i o s l i 处理器系统的外设配置具有很大的灵活性，设计者可以根据实际系 统需求来添加必要的外设，这是n i o s l l 系统与其他固化的微控制器之间最显著 的区别。而灵活的外设配置就必须要求相应灵活的地址空间的映射方式，但对 于软件程序员而言，n i o s l i 系统提供了访问外设和存储器的通用函数，并不需 要了解详细的地址映射。 n i o s l i 系统的外设可以分为两大类：标准外设和自定义外设。a l t e r a 公司提 供了一系列的标准外设，这些外设在其他的微控制器系统中通常也会用到，例 如定时器、串行通信接口、通用i o 口、s d r a m 控制器和其他的存储器接口 等。而且，a l t e r a 公司和一些第三方公司正在提供越来越多的标准外设的口 核。对于某些n i o s l i 系统，假设需要运行某个程序来处理大量的数据，因此占 用了相当多的c p u 资源，以致系统性能无法达到要求。在这种情况下，用户可 以自己定义一个外设并集成到n i o s l l 系统中，来进行大量的数据处理，这种外 设成为用户自定义外设。此外，自定制指令是n i o s l i 系统的另外一大特色。 n i o s l i 处理器是一种软核，设计者可以将白定制逻辑集成到 a l u ( a r i t h m e t i cl o g i cu n i t ，算术逻辑单元) 中，这就是自定制指令。与n i o s i i 处理器自带指令集中的指令一样，自定制指令可以从两个寄存器中取操作数， 进行某种处理后可以选择将结果返回目的寄存器。自定制指令可以大大改善系 统的性能。 2 1 2n i o s l i 处理器体系结构 n i o s l i 的组成结构见图2 2 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 2n i o s l i 的体系结构图 f i g 2 - 2n i o s ha r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m n i o s i i 处理器构架包括下列功能单元：寄存器文件；a l u ；自定制指令逻 辑的接口；异常控制器；中断控制器；指令总线；数据总线；指令高速缓存和 数据高速缓存；指令和数据的紧藕合存储器接口；j t a g 调试模块m 。 1 寄存器文件n i o s i i 处理器的寄存器文件包括3 2 个通用寄存器和6 个控 制寄存器，支持用户模式和超级( s u p e n ，i s o r ) 用户模式，使系统代码在应用程 序发生严重错误时可以保护控制寄存器。n i o s i i 处理器构架还允许将来增加浮 点寄存器。 2 算术逻辑单元a l un i o s i i 处理器的算术逻辑单元对通用寄存器中所存 储的数据进行操作，每条指令都取出一个或两个操作数，然后向目的寄存器返 回结果。 有些n i o s h 处理器的实现不包括硬件乘法和触发指令。在这种情况下，处 理器只能用下列操作来实现乘法和除法指令：m u l ，m u l i ，m u l x s s ，m u l x u u ， d i v ，d i v u 。这是一种软件实现的方法，这类用于软件实现的指令称为无效指令 ( u n i m p l c m e n t e di n s t r u c t i o n ) 。n i o s l i 处理器每碰到一条无效指令，就产生一个 异常，异常处理程序调用服务子程序，用软件来实现乘法或除法指令。 哈尔滨理1 = 人学t 学硕十学位论文 3 异常控制器异常控制器用来处理程序运行时产生的所有类型的异 常。一旦在程序运行过程中产生了异常( 包括硬件中断) ，c p u 就会转到异常地 址( e x c e p t i o na d d r e s s ) 中运行异常处理程序。异常处理程序判别异常产生的原 因，并运行相应的异常服务子程序。 4 中断控制器n i o s i l 处理器支持3 2 个外部中断，并支持中断嵌套。 n i o s l i 处理器的中断请求信号有3 2 位，从i r q 0 一i r q 3 1 ，可以为用一个中断源提供 一个唯一的中断输入信号。中断优先级是由软件决定的。 在i e n a b l e 寄存器中有一个中断使能位，软件通过控制这个比特可以实现对 某个中断源的禁止和使能操作；而通过控$ i j s t a t u s 寄存器中的p i e 位则可以实现 对所有中断源的禁止和使能操作。只有在下列三个条件都满足时才能确定产生 了一个硬件中断： ( 1 ) 状态寄存器的p i e 位为1 ； ( 2 ) 一个中断请求信号i r q n 被置为有效； ( 3 ) i e n a b l e 寄存器相应的第n 位为1 。 5 总线结构n i o s i i 处理器采用指令总线和数据总线分离的哈佛结构，其 指令总线和数据总线都是用a v a l o n 总线的主端口来实现的，二者宽度都是3 2 位，采用高字节放在高地址中的小端模式。指令主端口连接到存储器设备，数 据主端口连接到存储器和其他外设。 指令主端口所执行的唯一操作就是读n i o s l l 处理器的c p u 指令，因此在指 令主端口中没有写传输操作。指令主端口采用动态地址对齐，无论指令主端口 连接到数据宽度为多少位的存储器，其读传输操作都返回3 2 位的指令，因此软 件程序员无须关心这中间的细节，指令主端口采用流水线读传输模式，可以在 前一次读传输返回有效数据之前发起下一次传输，这样可以将同步存储器所带 的流水线延迟的影响降到最低，提高了系统运行的频率，同时，n i o s l l 处理器 可以进行预取指令和分支预测。 数据主端口执行两个功能：当c p u 执行装载命令时从存储器和外设读数 据：当c p u 执行存储命令时向存储器和外设写数据。 6 j t a g 调试模块n i o s l l 处理器的j t a g 调试模块也是可配置的，用户可 以根据系统需求，为n i o s l l 处理器配置适当的软件调试功能，也可以在软件调 试通过，形式产品时去掉调试模块。 j t a g 调试模块连接到f p g a 芯片内部的j t a g 电路，调试探针( d e b u gp r o b e ) 通过f p g a 上的标准j t a g 接口来访问处理器；在c p u 内部，调试模块与处理器 核内的相关信号相连。j t a g 调试模块对处理器的控制是非屏蔽的，而且在调 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 试程序时也不需要软件调试代理( s o f t w a r es t u b ) 来链接测试中的软件程序。 j t a g 调试模块收集的跟踪数据存放在调试探针或片内的存储器中。 j t a g 调试棋块是软件来管理的，所以调试的功能都由软件来实现，程序 员可以在计算机上通过调试工具软件与j t a g 调试模块进行通信，并提供下述 功能： ( 1 ) 将程序下载至存储器； ( 2 ) 开始和停止执行程序； ( 3 ) 设置断点； ( 4 ) 硬件触发； ( 5 ) 捕获跟踪数据。 2 1 3n i o s l l 处理器编程模式 本小节论述n i o s l l 的编程模型，将从以下几个方面来论述：通用寄存器、 控制寄存器、操作模式、中断处理、指令类型璩1 。 1 通用寄存器n i o s l i 体系结构提供了3 2 个3 2 位的通用寄存器，从r 0 n r 3 1 。具体的见表2 1 。 m 常返回0 值，r 3 1 含有程序调用后返回的地址，常常被c a l l 和r e t 指令访问。 c 或c + + 编译器使用通用的程序调用惯例，指派特定的意义给r 1 到r 2 3 ，以及r 2 6 到r 2 8 。 2 控制寄存器n i o s l i 处理器具有6 个3 2 位的控制寄存器，从c t l 0 - c t l 5 这些 寄存器的名称符合汇编语法。控制寄存器在用户模式下都是不可见的，只能在 超级用户模式下才能访问。r d c t l 和w r c t l 这两个指令是控制寄存器的唯一途径。 s t a t u s 寄存器控制着整个处理器的状态，它的p i e 位是处理器的中断使能位。 p i e 位为0 时，处理器禁止外部中断。p i e 位为l 时，允许外部中断，但中断是否 有效还取决于i e n a b l e 寄存器的值。u 位代表操作模式，u 位为1 时表示用户模 式，u 位为o 表示超级用户模式。从第3 位n 3 2 位没有定义。具体见表2 2 。 3 操作模式n i o s l i 处理器有3 种操作模式：超级用户模式；用户模式； 调试模式国j 。 当c p u 复位后，立即进入超级用户模式。在超级用户模式下，s t a t u s 寄存器 的u 位为o ，处理器定义过的功能基本上都是可用的，应用程序也可以正常运 行，但b s t a t u s ( c t l 2 ) 寄存器不可用。而且，在超级用户模式下，两个通用寄存 器b t ( r 2 5 ) 和( r 3 0 ) 也不可用，虽然可以在这两个寄存器存储数据，但调试模式 哈尔滨理工人学丁学硕 ：学位论文 可能会改变它们的值。 表2 - 1n i o s l l 寄存器文件 寄存器名称功能寄存器名称功能 f 0z e r o 值为0 ) 【0 0 0 0 0 0 0 0r 1 6 r 1 a t 汇编程序临时寄存器 r 1 7 r 2 返回值r 1 8 f 3 返回值 r 1 9 r 4 作为参数 r 2 0 1 5 作为参数 心1 r 6 作为参数 r 2 2 r 7 作为参数r 2 3 r 8 调用保留寄存器 r 2 4 e t 异常临时寄存器 r 9 调用保留寄存器 1 2 5b t 跳出临时寄存器 r 1 0 调用保留寄存器 心6 g p 全局指针 r l l 调用保留寄存器 r 2 7 s p 栈指针 r 1 2 调用保留寄存器 妇熔 细 指针 r 1 3调用保留寄存器 r 2 9e a 异常返回地址 r 1 4调用保留寄存器r 3 0b a跳出返回地址 r 1 5 调用保留寄存器 r 3 1n 程序调用返回地址 表2 - 2 控制寄存器 t a b l e 2 2c o n t r o lr e g i s t e r 寄存器名字3 1 - 210 d t os t a t u s 保留 up m c l t le s t a t u s 保留 e ue p i e d t 2b s t a t u s 保留 b ub p l e c l t 3l e n a b l e 中断使能 c l t 4 i p e n d i n g 挂起的中断 d t 5 c u p i d 处理器唯一的识别号 在用户模式下，s t a t u s 寄存器的u 位为l ，处理器所提供的功能是超级用户 模式功能的一部分，操作系统会监视正在执行的各个任务，增强了系统的可靠 性。 调试模式为调试工具软件专用，以实现各种调试功能，如断点、观察点 等。在调试模式下，s t a t u s 寄存器的u 位为o ，所有的处理器资源都可用。系统 程序和应用程序不能在调试模式下运行。 4 异常处理异常是指由于处理器内部或外部发生了某个事件，使得处 理器必须马上回来，因此，系统将处理器的控制权从某个程序的正常流程中转 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 移出来，交给一个异常处理程序。异常处理指的是发生异常后处理器所做出的 相应动作，包括返回到异常发生之前的状态。 处理器对异常的处理遵循下面五步： ( 1 ) 将s t a t u s 寄存器的值复制给e s t a t u s 寄存器，以保存异常发生前的状态； ( 2 ) 将s t a t u s 寄存器的u 位清零，迫使处理器进入超级用户模式； ( 3 ) 将s t a t u s 寄存器的p i e 位清零，禁止外部硬件中断； ( 4 ) 将程序中产生中断的指令后面那条指令的地址写入c a 寄存器( 从异常返 回时将执行这条指令) 。 ( 5 ) 转至异常地址，执行异常处理程序n 。 5 跳出处理跳出处理和软件调试工具可以造成程序跳出。跳出发生 后，处理器的控制权从程序的正常执行流程中转移出来，软件调试工具通过 j 吖婚调试模块来控制处理器。 处理器对跳出的处理遵循下面五步： ( 1 ) 将s t a t u s 寄存器的值复制给b s t a t u s 寄存器，以保存跳出发生前的状态； ( 2 ) 将s t a t u s 寄存器的u 位清零，迫使处理器