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Cyclone II FPGA與Nios II嵌入式處理器實現ASIC/ASSP替代設計
作者：佚名    文章来源：Altera    点击数：    更新时间：2005-12-18

Cyclone II FPGA與Nios II嵌入式處理器實現ASIC/ASSP替代設計

Altera
　

當今設計工程師面臨著更緊迫的預算和市場份額減少的壓力。過去，採用ASIC或者合適的ASSP技術就可以實現滿足高級性能需求、最具成本效益的大批量產品設計。ASIC技術曾經是實現最佳性能表現的最低成本途徑，但是缺乏設計靈活性，而且產品面市時間較長，開發風險很高。另一方面，ASSP在產品及時面市和保證開發成功上風險較小，但仍舊沒有可編程邏輯的靈活性。
ASIC和ASSP設計的局限性
現成的ASSP和微控制器具有逐漸過時的缺點。多數硬體嵌入式處理器隨著時間的推移而逐漸過時，並最終被淘汰。結果，採用這種處理器的製造商不得不重新設計硬體，並重新編寫軟體，耗費了大量的時間和成本。由於採用了新的處理器系列，這種重新設計甚至要求一套全新的指令集，導致更多的時間和資金投入。但是如Altera新一代Nios II這類的軟式核心嵌入式處理器，由於可以在未來的FPGA系列中繼續使用，因此有助於改變這種系統逐漸過時的缺點，並確保終端用戶的軟體程式碼與多代硬體相容。

Altera提供的可編程邏輯元件（PLD）、嵌入式處理器、多種矽智財（IP）組合以及完善的開發工具套件，使用戶能夠根據特定的系統要求，以簡單的方式產生符合需要的合適設計，並可擴展設計性能和特性來滿足系統參數的改變，從而避免出現硬體過時的風險。
 
Cyclone II和Nios II提升設計性能
以低成本CycloneTM FPGA系列和Nios®軟式核心嵌入式處理器為基礎，Altera推出的第二代產品Cyclone II元件，為用戶提供更高的邏輯密度和新增的硬體性能，成本比第一代產品降低了30%。此外，Nios II軟式核心嵌入式處理器比最初的Nios處理器功能更強大，而佔用的邏輯單元（LE）更少。

Cyclone II FPGA和Nios II處理器將可編程單晶片系統（SOPC）帶入了更高等級，使設計人員能夠建構與中等密度ASIC和ASSP有效競爭的SOPC設計。這樣設計人員便可以在大量的新應用中充分利用可編程邏輯的靈活性及成本優勢來進行設計，而這些應用在以前完全被ASIC和ASSP技術所佔據。Nios II/Cyclone II設計組合能夠以每邏輯門0.35美元的成本實現完整的嵌入式處理系統，其性能超過100 DMIPS。

Nios II系列包括：高性能內部核心（Nios II/f，“快速”）；低成本內部核心（Nios II/e，“經濟”）；性能／成本均衡的內部核心（Nios II/s，“標準”）。這三種內部核心共用一套相同的32位元指令集架構（ISA），與二進位指令碼百分之百相容。它們具有單一的免權利金授權許可，增強了設計靈活性，同時將成本降到最小。此外，所有內部核心都可以使用客製化指令，使關鍵的軟體副程式在Nios II嵌入式處理器的操作控制下，能夠在FPGA中運行。這些指令在硬體中運行時需要佔有多個時鐘週期，而在Nios II處理器應用中，最少只佔用一個時鐘週期，提高了系統性能和資料傳輸量。
 
完整設計工具加速建構SOPC解決方案
目前業界普遍面臨著產品及時面市和產品較短生命週期的壓力，特別是在消費性電子市場上，因此Altera開發了整套工具，包括SOPC Builder、Nios II整合設計環境（IDE）和Quartus II開發軟體，幫助用戶加速硬體和軟體的開發，實現完整採用可編程邏輯架構的SOPC解決方案。與此同時，具有Nios II授權的用戶將收到含有軟式處理器內部核心和一套軟體工具的開發工具套件，用於在Altera® FPGA中進行Nios II設計。

SOPC Builder是在Altera FPGA中加入IP的關鍵工具。該系統級工具使用Altera的MegaWizard®技術自動產生Avalon的交換架構，將設計中的不同功能模組連接在一起。SOPC Builder還會產生客製化軟體發展工具，根據需要為由Nios II處理器控制的功能模組提供合適的軟體標題檔。採用SOPC Builder使設計人員從手動連接、驗證暫存器和記憶體映射架構等耗時的任務中解脫出來，從而將精力集中在如何最佳化關鍵系統功能上。

Nios II IDE是Nios II軟式核心處理器的主要開發工具，它為軟體發展提供了一個整合的設計開發環境，包括一個具有工程管理、原始程式碼開發、採用JTAG除錯功能的圖形用戶介面（GUI），大大簡化了大量複雜的Nios II處理器設計。其附加工具包括一個指令集模擬器（無需除錯開發板，就可以進行程式碼除錯）、MicroC/OS-II即時操作系統以及小型TCP/IP協定堆疊。

Quartus II軟體為硬體開發提供了設計採集、合成、模擬和佈局佈線功能，可幫助設計人員實現產品及時面市。
 
設計實例
Cyclone II FPGA和Nios II處理器組合的最佳設計實例在於網際網路應用系統。網際網路應用包括視訊遊戲機、機上盒、智慧型冰箱以及報警系統等。這類系統需要通過乙太網路進行通訊和資料處理。它包括一些客製化介面、必須的系統功能、膠合邏輯以及用戶介面。

設計這類系統的傳統方法是採用數位訊號處理器、乙太網路MAC/PHY、微處理器和FPGA。這種設計方法可實現所有的系統功能，但是需要多個I/O接腳來實現FPGA和數位訊號處理器介面連接，使系統變得複雜，而且，這種設計方法至少需要四個組成部分，佔用了大量的電路板資源。

面對上述問題，可以採用Nios II嵌入式處理器內部核心來實現數位訊號處理（DSP）功能，從而減少了以前所需元件的四分之一。對於更密集的DSP應用，設計人員可以利用Nios II處理器的客製化指令能力在硬體中實現運行效率更高的某些功能。

如果需要更高級的DSP性能，可以採用Altera的IP內部核心與客製化硬體的組合實現全部DSP功能。例如Cyclone II元件中的嵌入式乘法器，可用來運行大量的數學指令，其速度甚至比最高端的數位訊號處理器還要快。Nios II處理器可用於通常由數位訊號處理器完成的所有控制功能。

Cyclone II元件密度比第一代Cyclone元件增加了三倍，可以整合更多功能以提高系統整合度和可靠性，降低系統成本。Nios II處理器具有性能強化、即時作業系統（RTOS）、中介軟體等優勢，使其能夠運行網路服務器，實現現場乙太網路控制和設備監控。

此外，在同一個Cyclone II FPGA中還可以嵌入第二個Nios II內部核心，做為人機介面（MMI）處理器來控制小鍵盤和LCD驅動器。第二個處理器一般比數位訊號處理器的速度稍慢一些，採用兩個處理器可降低較慢的MMI處理器對DSP性能的影響。
 
結論
Nios II處理器和Cyclone II FPGA為以前需要低、中密度ASIC來滿足系統性能需求的設計人員，提供了更多的選擇，配合Altera的開發軟體套件和多樣化IP組合，設計人員可以充分利用可編程邏輯的靈活性，在Cyclone II FPGA中嵌入Nios II處理器，對成本敏感的應用進行SOPC設計。
文章录入：fengfeiyi    责任编辑：fengfeiyi 
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