自定制Nios處理器的FFT算法指令

1 引言

在Altera的Nios嵌入式處理器中。用戶可以在Nios指令系統(tǒng)中增加用戶自定制指令來滿足某種特定的應(yīng)用需求。自定制指令可以訪問存儲(chǔ)器或Nios系統(tǒng)外的邏輯資源。增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，特別適用于DSP、數(shù)據(jù)包處理及對(duì)計(jì)算密集型軟件進(jìn)行優(yōu)化。

Altera高性能快速傅立葉變換(FFT)處理器IP核FFT V2.2.0為實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的高性能FFT算法作為Nios嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)加速模塊，使系統(tǒng)可以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

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(tǒng)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(gè)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(chuàng)建相應(yīng)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(shè)計(jì)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(yù)先定義好名稱和功能的接口，如圖1所示。Nios配置向?qū)?huì)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(yù)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(dāng)然，Nios也允許用戶自定制指令與Nios系統(tǒng)外部的功能模塊進(jìn)行信息交流。如果配置向?qū)]能識(shí)別用戶邏輯模塊的某個(gè)端口。它將該端口引出到系統(tǒng)模塊的頂層．使得外部邏輯可以訪問這些信號(hào)，這些端口用export標(biāo)記。當(dāng)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(tǒng)中包括5個(gè)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(diào)用這些操作碼，通過它們來訪問用戶自定制邏輯。



寫C/C++代碼時(shí)，Nios寄存器的使用是透明的，編譯器會(huì)自動(dòng)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?qū)?huì)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的宏，支持對(duì)宏進(jìn)行手工命名，以提高軟件代碼的可讀性。

在C/C++中通過一個(gè)函數(shù)調(diào)用來訪問用戶自定義指令。SOPC Builder自動(dòng)生成的Nios系統(tǒng)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(gè)使用了prefix端口，后一個(gè)沒有使用prefix端口。

nm__pfx(prefix,data,datab)

nm_(data,datab)

3 FFT算法實(shí)現(xiàn)

FFT算法由Altera的FFT IP核FFT V2.2.0實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)FT V2.2.0是一個(gè)高性能、參數(shù)化快速傅立葉變換(FFT)處理器IP核，對(duì)Altera StratixII、Stratix GX、Stratix以及Cyclone系列器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)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(fù)數(shù)FFT算法，IP核使用模塊浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)可在數(shù)據(jù)處理過程中保持最大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)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(guān)參數(shù)設(shè)置為：變換長度(Transform Length)選擇1024點(diǎn)，數(shù)據(jù)精度選擇16位，旋轉(zhuǎn)因子精度選擇16位，I/O數(shù)據(jù)流選擇Streaming形式，復(fù)數(shù)乘法器結(jié)構(gòu)(Structure)由3個(gè)乘法器、5個(gè)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(xié)議采用Atlantic接口，輸入接口為主設(shè)備匯端(Master Sink)，輸出接口為主設(shè)備源端(Master Source)，Atlantic接口相關(guān)內(nèi)容可查閱文獻(xiàn)3，圖3為FFT在Modelsim環(huán)境下的仿真結(jié)果。

4 定制Nios核的FFT指令

應(yīng)用SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具建立一個(gè)嵌入Nios軟核的基本SOPC系統(tǒng)，系統(tǒng)組件如圖4所示。顯然，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要增加其它SOPC系統(tǒng)組件，這里僅分析定制FFT算法指令相關(guān)內(nèi)容。



通過自定制指令“Custom Instruction”界面中Import按鈕導(dǎo)入設(shè)計(jì)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(tǒng)中用戶自定制邏輯必須與指定的端口類型匹配，對(duì)于FFT來說，其輸入和輸出都是實(shí)部和虛部為16位的復(fù)數(shù)，正好可以用一個(gè)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(shè)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(gè)32的輸入輸出端口dataa和result，另外，還必須加上start和clk_en兩個(gè)輸入端口，雖然這兩個(gè)端口信號(hào)在程序中沒有作用。端口例化時(shí)再與原有端口對(duì)應(yīng)，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(hào)用export標(biāo)記，這些端口引出到系統(tǒng)模塊的頂層，外部邏輯可以訪問這些信號(hào)。

重新生成SOPC系統(tǒng)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(yīng)FPGA后，結(jié)合Atlantic接口邏輯、FIFO存儲(chǔ)器電路，用戶即可在C或C++中調(diào)用nm_fft指令來完成1024點(diǎn)的高速FFT算法。



5 結(jié)論

自定制Nios處理器的用戶指令方法，使設(shè)計(jì)者可以為某種特定的應(yīng)用定制自己的指令，定制指令的方法在降低軟件復(fù)雜性的同時(shí)，明顯地提高了Nios處理器的性能．幫助系統(tǒng)完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于IP核FFT V2.2.0實(shí)現(xiàn)了變換長度為1024點(diǎn)的高速復(fù)數(shù)FFT算法，提出了一種新穎的在Nios嵌入式系統(tǒng)中定制用戶FFT算法指令的方法，使系統(tǒng)可以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。

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