自定制Nios处理器的FFT算法指令

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1、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FFTV2.2.0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

2、统可以完成复杂的数据处理任务。2Nios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VerilogHDL、VHDL、EDIFnetlistfile、QuartusIIBlockD

3、esignFile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

4、。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、类型和操作操作码类型操作USR0RRRa<-RaopRbUSR1RwRa<-Raop%toUSR2RwRa<-Raop%toUSR3RwRa<-Raop%toUSR4RwRa<-Raop%to     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

5、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。SOPCBuilder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)nm_(data,datab)3FFT算法实现   FFT算法由Altera的F

6、FTIP核FFTV2.2.0实现，FFTV2.2.0是一个高性能、参数化快速傅立叶变换(FFT)处理器IP核，对AlteraStratixII、StratixGX、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≤m≤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FFTV2.2.0相关参数设置为：变换长度(TransformLength)选择1024点，数据精度选

7、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(MasterSink)，输出接口为主设备源端(MasterSource)，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SOPCBuilder系统开发工具建立一个嵌入Nios软核的基本SOPC系统，系

8、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“CustomInstruction”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。