一种基于NiosⅡ的可重构DSP系统设计

DSP处理器功能系统的建立
　　使用DSP Buider在FPGA上进行DSP模块的设计，可实现高速DSP处理。但是，在实际应用中，由于DSP处理的算法往往比较复杂，如果单纯使用DSP Buider来实现纯硬件的DSP模块，会耗费过多的硬件资源，有时也无法完成复杂的运算。在DSP算法中反复出现的一些运算，如复数乘法、整数乘法、浮点乘法等，在通用的CPU中都没有专门的相关指令。利用Nios II的自定制指令特性，在系统设计中，可利用MATLAB、DSP Buider或VHDL设计并生成复数乘法器、整数乘法器、浮点乘法器等硬件模块，在QuartusII环境中对上述文件作一些修正后，在SOPC Buider窗口中将它们定制为相应的指令，并可设定或修改执行该指令的时钟周期。在进行DSP算法运算时，可通过汇编或C，甚至C++来运用这些自定义指令进行嵌入式程序设计。
　　用MATLAB、DSP Buider设计的复数乘法器模型如图2所示，它完成了16位的复数乘法，虚部和实部的位宽都是16位，可以用一个32位的值来表示该复数。在设计中，NiosII为32位数据，正好可以放置2个复数。
　　要将这个复数乘法器硬件模块设置成相应的指令，还要进行以下操作：单击图标SignalCompiler对其进行转换，选择器件(用Cyclone)、选择QuartusII综合器，转换后使其生成SOPC Buider的PTF文件。退出MATLAB后，在QuartusII环境中对转换后所生成的复数乘法器的顶层VHDL文件进行修改。在SOPC Buider窗口中双击cpu项，进入指令加入编辑窗;单击Import按钮，进入加入模块文件窗口;单击Add按钮，打开顶层文件;单击Read port-list from files按钮，得到端口加入情况显示窗口;单击Add to System按钮，加入复数乘法器设计模块，将这个硬件模块设置成自定义的复数乘法指令comp。还可以修改该指令的指令周期。单击Generate按钮，进行SOPC生成。
　　另外，NiosII的外设是可任意定制的，NiosII系统的所有外设都通过Avalon总线与NiosII CPU相接。Avalon总线是一种协议较为简单的片内总线，NiosII通过Avalon总线与外界进行数据交换。在本系统中，采用Avalon Slave外设方式加入了自定制Avalon总线组件A/D转换接口模块、D/A接口模块，用于控制采样ADC的工作并控制高速DAC的波形数据输出。而自定义的Avalon总线组件DDS模块接口和DSP功能转换控制接口则用于NiosII CPU对DDS模块的控制及通过外部键盘来控制DSP功能的选择。
　　系统软件设计
　　指令生成并加入总线和各种需要加入的外设组件(如各类接口、flash等)后，对基于NiosII的SOPC系统进行编译并下载到FPGA中。在NiosII的硬件系统生成的同时，SOPC Buider帮助用户生成相应的SDK(软件开发包)。由于在硬件开发中的Nios CPU及其外设构成的系统是自定制的，存储器、外设地址的映射等都各不相同，需要专有的SDK，用户新定制的指令也必须修改原有的编译工具，这些都由SOPC Buider自动生成。
　　在生成SDK的基础上，可进入系统软件的设计。在这里，软件的开发设计与通常的嵌入式系统的开发设计相类似，唯一不同点在于这时面对的嵌入式系统是自己定制的、裁剪过的，因此，受到硬件的局限性会小些。可使用汇编、C、C++来进行嵌入式程序设计，使用GNU工具或其它第三方工具进行程序的编译连接以及调试。
　　比如，将复数乘法器硬件模块设置成相应的指令后，锁定引脚，全程编译。然后利用QuartusII编辑C程序进行测试。在FPGA中的Nios CPU中运行C程序。测试成功后，在DSP计算中遇到复数乘法就可以运用复数乘法指令。
　　DDS模块还是以硬件形式固化在FPGA中，可以根据需要，利用DDS设计出幅度、相位和频率调制器。
　　结语
　　这种将常用的硬件模块生成指令，软、硬件并存的设计方法在FPGA中可实现较复杂的DSP运算。整个系统除了ADC、DAC和控制选择键盘外，都可在1片FPGA可编程芯片中实现。还可通过Avalon总线自定义各种接口模块组件，提高整个DSP系统的灵活性，将软件的灵活性和硬件的高速性予以结合。