单片机与DSP中的单片DSP处理器功能系统的SOPC技术设计
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2020-11-25
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单片机与单片机与DSP中的单片中的单片DSP处理器功能系统的处理器功能系统的SOPC技术设计技术设计
结合Altera公司推出的Nios II嵌入式软核处理器，提出一种具有常规DSP处理器功能的NiosII系统SOPC解决方
案；利用NiosII可自定叉指令的特点。 通过Matlab和DSP Builder或直接用VHDL设计并生成复数乘法器、
整数乘法器和浮点乘法器等硬件模块，将它们定制为相应的指令，从而将软件的灵活性和硬件的高速性结合起
来，较好地解决了传统DSP处理器所面临的速度问题、硬件结构不可重构性问题、开发升级周期长和不可移植
性等问题。 随着微电子技术和计算机工具软件的发展，可编程片上系统SOPC的设计理念和设计方法成为
了一种趋势。为了解决传统DSP处理器所面临的速度问题、硬
结合Altera公司推出的Nios II嵌入式软核处理器，提出一种具有常规DSP处理器功能的NiosII系统SOPC解决方案；利用
NiosII可自定叉指令的特点。
通过Matlab和DSP Builder或直接用VHDL设计并生成复数乘法器、整数乘法器和浮点乘法器等硬件模块，将它们定制为
相应的指令，从而将软件的灵活性和硬件的高速性结合起来，较好地解决了传统DSP处理器所面临的速度问题、硬件结构不
可重构性问题、开发升级周期长和不可移植性等问题。
随着微电子技术和计算机工具软件的发展，可编程片上系统SOPC的设计理念和设计方法成为了一种趋势。为了解决传统
DSP处理器所面临的速度问题、硬件结构不可重构性问题、开发升级周期长和不可移植性等问题，我们应用Altera公司推出的
Nios II嵌入式软核处理器，提出了一种具有常规DSP处理器功能的Nios II系统SOPC解决方案。
由于可编辑的Nios II核含有许多可配置的接口模块核，因此用户可根据设计要求，利用Quar-tusII和SOPC Builder对NiosII
及其外围系统进行构建。而且用户可通过Matlab和DSP Builder，或直接用VHDL等硬件描述语言设计，为Nios II嵌入式处理器
设计各类硬件模块，并以指令的形式加入Nios II的指令系统，从而成为Nios II系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式系统融
为一体，而不是直接下载到FPGA中生成庞大的硬件系统。正是Nios II所具有的这些重要特点，使得可重构单片DSP处理器功
能系统的设计成为可能。
1 系统结构系统结构
本系统为单片DSP可重构系统，能实现数字信号处理方面各种功能。其中，Nios II软核处理器的建立，主要起人机交互和
控制作用。FPGA的逻辑模块从Nios II处理器接收控制信号和数据后，实现相应的硬件功能。系统结构框图如图l所示。除了软
核处理器Nios II外，存储器和I／O接口以及FIR数字滤波器、IIR数字滤波器和DDS等应用模块均可作为外设嵌入在FPGA中。
这样，整个DSP的数字信号处理部分全部集成在FPGA器件中，各模块均受Nios II处理器的控制。Nios II处理器系统中有
Avalon总线，它规定了控制器与从属模块间的端口连接以及模块阃通信的时序。数字频率合成器DDS通过Avalon总线与Nios
II处理器相连，能很方便地完成控制及数据传送。
本系统的FPGA采用Cyclone EPICl2，它有12 060个逻辑单元(LE)和2个锁相环(PLLs)，提供6个输出和层次时钟结构以及
复杂设计的时钟管理电路。选用超高速10位D／A转换器565l实现D／A转换功能，转换速率最高为150 MHz。整个系统在Nios
II处理器的控制下，可实现FIR数字滤波、IIR数字滤波、快速傅里叶变换(FFT)算法、编／解码、DDS功能模块设计，以及由
它构成的数控频率调制、正交载波调制解调、数控相位调制等功能的信号发生器。
系统中各功能模块的选择，以及输出信号调制方式和频率的选择，均可通过外接的按键自由选择。下面构建一个具有常规
DSP处理器功能的Nios II系统。
2 Nios II嵌入式系统设计流程嵌入式系统设计流程
NiosII嵌入式处理器是Altera公司推出的一种专门为单芯片可编程系统(SOPC)设计而优化的CPU软核，是一种面向用
户、可以灵活定村的通用RISC(精简指令集)嵌入式CPU。它采用Avalon总线结构通信接口，带有增强的内存、调试和软件功
能，可采用汇编或C、C++等语言进行程序优化开发；具有32位指令集、32位数据通道和可配置的指令及数据缓冲。与普通嵌
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