1 引言

　　在Altera的Nios嵌入式處理器中。用戶可以在Nios指令系統中增加用戶自定制指令來滿足某種特定的應用需求。自定制指令可以訪問存儲器或Nios系統外的邏輯資源。增強系統的實時處理能力，特別適用于DSP、數據包處理及對計算密集型軟件進行優化。

　　Altera高性能快速傅立葉變換（FFT）處理器IP核FFT V2.2.0為實現高速FFT算法提供了成功的解決方案，將FFT算法定制為Nios嵌入式處理器的用戶指令，用已實現的高性能FFT算法作為Nios嵌入式系統的一個加速模塊，使系統可以完成復雜的數據處理任務。

　　2 Nios自定制指令的軟硬件接口

　　使用用戶自定制指令，用戶能夠向Nios的ALU和指令系統增加用戶自定制功能，完整的用戶自定制指令包括用戶自定制邏輯和軟件宏兩部分。

　　用戶自定制邏輯是完成用戶操作的硬件部分，Nios最多支持5個用戶自定制邏輯作為ALU的一部分。軟件宏提供軟件接口，Nios將創建相應C/C++和匯編的宏代碼，使得用戶能夠訪問用戶自定制邏輯。Nios自定制指令支持多種設計文件，主要有Verilog HDL、VHDL、EDIF netlist file、Quartus II Block Design File等。由于用戶自定制指令邏輯需要直接連到ALU上．所以Nios提供一套預先定義好名稱和功能的接口，如圖1所示。Nios配置向導會掃描用戶自定義邏輯，搜索需要的端口。并把這些端口連到ALU上，這就要求用戶自定制邏輯必須指定所需的端口類型，使用預先定義的端口名稱。保證自定制邏輯端口能正確地連到ALU。

　　當然，Nios也允許用戶自定制指令與Nios系統外部的功能模塊進行信息交流。如果配置向導沒能識別用戶邏輯模塊的某個端口。它將該端口引出到系統模塊的頂層．使得外部邏輯可以訪問這些信號，這些端口用export標記。當用戶自定制邏輯被集成到Nios處理器的ALU后．可以通過軟件訪問用戶自定制邏輯，Nios系統中包括5個用戶操作碼，如表1所示，用戶可以通過用C/C++或匯編寫的宏來調用這些操作碼，通過它們來訪問用戶自定制邏輯。

　　表1 用戶操作碼、類型和操作

　　寫C/C++代碼時，Nios寄存器的使用是透明的，編譯器會自動選擇寄存器，而在匯編中則必須指定寄存器。在增加了用戶自定制指令后，Nios配置向導會自動創建相應的宏，支持對宏進行手工命名，以提高軟件代碼的可讀性。

　　在C/C++中通過一個函數調用來訪問用戶自定義指令。SOPC Builder自動生成的Nios系統頭文件（excalibur.h）里包含了C/C++的宏定義，有兩種不同的C/C++宏可供使用，其中前一個使用了prefix端口，后一個沒有使用prefix端口。

　　nm__PFX（PREFIX，DATA，DATAB）< P>

　　nm_（DATA，DATAB）< P>

　　3 FFT算法實現

　　FFT算法由Altera的FFT IP核FFT V2.2.0實現，FFT V2.2.0是一個高性能、參數化快速傅立葉變換（FFT）處理器IP核，對Altera StratixII、Stratix GX、Stratix以及Cyclone系列器件進行了設計優化．可以完成變換長度為2m（6≤m≤14）的基-2/4按頻率抽取（DIF）的復數FFT算法，IP核使用模塊浮點結構可在

　　數據處理過程中保持最大數據動態范圍，以獲得最大信噪比SNR與最少邏輯需求之間的平衡。

　　此處FFT V2.2.0相關參數設置為：變換長度（Transform Length）選擇1024點，數據精度選擇16位，旋轉因子精度選擇16位，I/O數據流選擇Streaming形式，復數乘法器結構（Structure）由3個乘法器、5個加法器完成。

　　圖2給出了FFT算法模塊的外部端口，I/O接口協議采用Atlantic接口，輸入接口為主設備匯端（Master Sink），輸出接口為主設備源端（Master Source），Atlantic接口相關內容可查閱文獻3，圖3為FFT在Modelsim環境下的仿真結果。

　　4 定制Nios核的FFT指令

　　應用SOPC Builder系統開發工具建立一個嵌入Nios軟核的基本SOPC系統，系統組件如圖4所示。顯然，用戶可以根據實際應用的需要增加其它SOPC系統組件，這里僅分析定制FFT算法指令相關內容。

　　通過自定制指令“Custom Instruction”界面中Import按鈕導入設計好的FFT.vhd文件，定制用戶指令FFT，這里使用USR1操作碼，如圖5所示。

　　在Nios系統中用戶自定制邏輯必須與指定的端口類型匹配，對于FFT來說，其輸入和輸出都是實部和虛部為16位的復數，正好可以用一個32位的值來表示 這樣FFT.vhd程序的端口（port）可以按如下方法設置：

　　PORT（

　　clk:IN STD_ LOGIC;

　　reset:IN STD_LOGIC;

　　dataa:IN STD_LOGIC_VECTOR（31 DOWNTO 0）;

　　result:OUT STD_LOGIC_VECTOR（31 DOWNTO 0）;

　　start:IN OUT STD_LOGIC：=‘0’;

　　clk_en:IN STD LOGIC：=‘0’

　　……

　　）；

　　即將程序中原有16位長的data_real_in，data_imag_in，fft_real_out，fft_imag_out端口換成兩個32的輸入輸出端口dataa和result，另外，還必須加上start和clk_en兩個輸入端口，雖然這兩個端口信號在程序中沒有作用。端口例化時再與原有端口對應，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接口信號用export標記，這些端口引出到系統模塊的頂層，外部邏輯可以訪問這些信號。

　　重新生成SOPC系統并更新后得到如圖6所示的加入自定制FFT算法指令的Nios處理器，將其全程編譯并下載到相應FPGA后，結合Atlantic接口邏輯、FIFO存儲器電路，用戶即可在C或C++中調用nm_fft指令來完成1024點的高速FFT算法。

　　5 結論

　　自定制Nios處理器的用戶指令方法，使設計者可以為某種特定的應用定制自己的指令，定制指令的方法在降低軟件復雜性的同時，明顯地提高了Nios處理器的性能．幫助系統完成復雜的數據處理。

　　本文作者創新點：基于IP核FFT V2.2.0實現了變換長度為1024點的高速復數FFT算法，提出了一種新穎的在Nios嵌入式系統中定制用戶FFT算法指令的方法，使系統可以完成復雜的數據處理任務，增強了系統的實時處理能力。

　　參考文獻：

　　［1］梁曦捷，肖璋．一種基于FPGA的順序迭代FFT設計 微計算機信息，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 黃繼業 曾毓 SOPC技術實用教程［M］北京清華大學出版社2005年3月131-139