用户自定制Nios处理器的FFT算法指令

　　1 引言
   　　在Altera的Nios嵌入式处理器中。用户可以在Nios指令系统中增加用户自定制指令来满足某种特定的应用需求。自定制指令可以访问存储器或Nios系统外的逻辑资源。增强系统的实时处理能力，特别适用于DSP、数据包处理及对计算密集型软件进行优化。
   　　Altera高性能快速傅立叶变换（FFT）处理器IP核FFT V2.2.0为实现高速FFT算法提供了成功的解决方案，将FFT算法定制为Nios嵌入式处理器的用户指令，用已实现的高性能FFT算法作为Nios嵌入式系统的一个加速模块，使系统可以完成复杂的数据处理任务。
   　　2 Nios自定制指令的软硬件接口
   　　使用用户自定制指令，用户能够向Nios的ALU和指令系统增加用户自定制功能，完整的用户自定制指令包括用户自定制逻辑和软件宏两部分。
   　　用户自定制逻辑是完成用户操作的硬件部分，Nios最多支持5个用户自定制逻辑作为ALU的一部分。软件宏提供软件接口，Nios将创建相应C/C++和汇编的宏代码，使得用户能够访问用户自定制逻辑。Nios自定制指令支持多种设计文件，主要有Verilog HDL、VHDL、EDIF netlist file、Quartus II Block Design File等。由于用户自定制指令逻辑需要直接连到ALU上．所以Nios提供一套预先定义好名称和功能的接口，如图1所示。Nios配置向导会扫描用户自定义逻辑，搜索需要的端口。并把这些端口连到ALU上，这就要求用户自定制逻辑必须指定所需的端口类型，使用预先定义的端口名称。保证自定制逻辑端口能正确地连到ALU。
   
   　　
   
   　　当然，Nios也允许用户自定制指令与Nios系统外部的功能模块进行信息交流。如果配置向导没能识别用户逻辑模块的某个端口。它将该端口引出到系统模块的顶层．使得外部逻辑可以访问这些信号，这些端口用export标记。当用户自定制逻辑被集成到Nios处理器的ALU后．可以通过软件访问用户自定制逻辑，Nios系统中包括5个用户操作码，如表1所示，用户可以通过用C/C++或汇编写的宏来调用这些操作码，通过它们来访问用户自定制逻辑。
   
   　　表1 用户操作码、类型和操作
   
   
   　　写C/C++代码时，Nios寄存器的使用是透明的，编译器会自动选择寄存器，而在汇编中则必须指定寄存器。在增加了用户自定制指令后，Nios配置向导会自动创建相应的宏，支持对宏进行手工命名，以提高软件代码的可读性。
   　　在C/C++中通过一个函数调用来访问用户自定义指令。SOPC Builder自动生成的Nios系统头文件（excalibur.h）里包含了C/C++的宏定义，有两种不同的C/C++宏可供使用，其中前一个使用了prefix端口，后一个没有使用prefix端口。
   　　nm__PFX（PREFIX，DATA，DATAB）< P>
   　　nm_（DATA，DATAB）< P>
   　　3 FFT算法实现
   　　FFT算法由Altera的FFT IP核FFT V2.2.0实现，FFT V2.2.0是一个高性能、参数化快速傅立叶变换（FFT）处理器IP核，对Altera StratixII、Stratix GX、Stratix以及Cyclone系列器件进行了设计优化．可以完成变换长度为2m（6&le;m&le;14）的基-2/4按频率抽取（DIF）的复数FFT算法，IP核使用模块浮点结构可在
   　　数据处理过程中保持最大数据动态范围，以获得最大信噪比SNR与最少逻辑需求之间的平衡。
   　　此处FFT V2.2.0相关参数设置为：变换长度（Transform Length）选择1024点，数据精度选择16位，旋转因子精度选择16位，I/O数据流选择Streaming形式，复数乘法器结构（Structure）由3个乘法器、5个加法器完成。
   　　图2给出了FFT算法模块的外部端口，I/O接口协议采用Atlantic接口，输入接口为主设备汇端（Master Sink），输出接口为主设备源端（Master Source），Atlantic接口相关内容可查阅文献3，图3为FFT在Modelsim环境下的仿真结果。
   
   　　
   
   　　
   
   　　4 定制Nios核的FFT指令
   
   　　应用SOPC Builder系统开发工具建立一个嵌入Nios软核的基本SOPC系统，系统组件如图4所示。显然，用户可以根据实际应用的需要增加其它SOPC系统组件，这里仅分析定制FFT算法指令相关内容。
   
   　　
   
   　　通过自定制指令“Custom Instruction”界面中Import按钮导入设计好的FFT.vhd文件，定制用户指令FFT，这里使用USR1操作码，如图5所示。
   
   　　
   
   　　在Nios系统中用户自定制逻辑必须与指定的端口类型匹配，对于FFT来说，其输入和输出都是实部和虚部为16位的复数，正好可以用一个32位的值来表示 这样FFT.vhd程序的端口（port）可以按如下方法设置：
   　　PORT（
   　　clk:IN STD_ LOGIC;
   　　reset:IN STD_LOGIC;
   　　dataa:IN STD_LOGIC_VECTOR（ DOWNTO 0）;
   　　result:OUT STD_LOGIC_VECTOR（31 DOWNTO 0）;
   　　start:IN OUT STD_LOGIC：=&lsquo;0&rsquo;;
   　　clk_en:IN STD LOGIC：=&lsquo;0&rsquo;
   　　……
   　　）；
   　　即将程序中原有16位长的data_real_in，data_imag_in，fft_real_out，fft_imag_out端口换成两个32的输入输出端口dataa和result，另外，还必须加上start和clk_en两个输入端口，虽然这两个端口信号在程序中没有作用。端口例化时再与原有端口对应，如下所示：
   　　data_real_in => dataa（31 downto 16），
   　　data_imag_in => dataa（15 downto 0），
   　　fft_real_out => result（31 downto 16），
   　　fit_imag_out => result（15 downto 0），
   　　FFT其余Atlantic接口信号用export标记，这些端口引出到系统模块的顶层，外部逻辑可以访问这些信号。
   　　重新生成SOPC系统并更新后得到如图6所示的加入自定制FFT算法指令的Nios处理器，将其全程编译并下载到相应FPGA后，结合Atlantic接口逻辑、FIFO存储器电路，用户即可在C或C++中调用nm_fft指令来完成1024点的高速FFT算法。
   
   　　
   
   　　5 结论
   
   　　自定制Nios处理器的用户指令方法，使设计者可以为某种特定的应用定制自己的指令，定制指令的方法在降低软件复杂性的同时，明显地提高了Nios处理器的性能．帮助系统完成复杂的数据处理。
   　　本文作者创新点：基于IP核FFT V2.2.0实现了变换长度为1024点的高速复数FFT算法，提出了一种新颖的在Nios嵌入式系统中定制用户FFT算法指令的方法，使系统可以完成复杂的数据处理任务，增强了系统的实时处理能力。
   
   　　参考文献：
   　　［1］梁曦捷，肖璋．一种基于FPGA的顺序迭代FFT设计 微计算机信息，2005，1-2
   　　［2］Altera DataSheet FFT Compiler Megacore Function User Guide 2.2.0 rev1 2005.10
   　　［3］Altera DataSheet Custom instructions for the Nios embedded Processor User Guide ve1.1.2 2002.9
   　　［4］Altera DataSheet Altera Interface Functional Specificmion Ver.3.0 2002.6
   　　［5］潘松 黄继业 曾毓 SOPC技术实用教程［M］北京清华大学出版社2005年3月131-139