采用Nios定制指令的嵌入式系统优化设计

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摘要：Altera公司的Nios软核处理器以其低成本，设计灵活等特点，在嵌入式应用领域得到广泛的应用。采用Nios处理器的定制指令，可以把用户自定义的功能直接添加到Nios CPU的算术逻辑单元中，加快专项任务的执行，以达到优化目的。本文在阐述Nios定制指令设计的基础上，给出相应的设计例子说明。

    关键词：Nios软核 定制指令 嵌入式处理器MP3

引言

Nios处理器是Altera公司推出的一个32/16位精简指令信处理器软核。在Altera公司推出的软件SOPC中加载Nios核 和相应的外围接口以及与定义相应的自定义指令，然后对设计进行综合，下载到FPGA中就可以方便地一个具有特定功能的嵌入式处理器。这种设计思路增加了系统设计的灵活性，加快系统运行速度，缩短产品研发和上市时间。

由硬件实现复杂的算法通常比软件实现更高效。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>利用Altera的Niso嵌入式处理器的定制指令，可以把用户自定义的功能直接添加到Niso CPU的算术逻辑单元（ALU）中（见图1），来加快专项任务的执行，从而达到系统优化的目的。因此，设计者可以针对关键的内部循环和耗时算法，创建Nios嵌入式处理器的定制指令，把复杂的顺序指令简化为硬件实现的单指令，这样就能够大大提高系统性能。例如，Nios CPU执行浮点乘法运算要2800多个时钟周期；而浮点乘法的定制指令采用了浮点单元（FPU），执行只需19个时钟周期。

1 定制指令

定制指令为Nios处理器的算术逻辑单元增加了定制逻辑，设计者通过定制指令，用快速高效的定制逻辑块替代复杂耗时的软件程序。在一个CPU中，可以运行多达五个组合或时序定制模块，还可以访问Nios系统模块外的存储器和/或逻辑。定制逻辑模块在两个寄存器Ra和Rb内容的基础上执行用户定义的操作，结果存放在寄存器Ra中。这些定制逻辑模块的功能只受限于器件内逻辑单元（LE）和设计得的想象力。

定制硬件模块能够通过Nios嵌入式处理器指令集中的五个用户定义操作码来访问。SOPC Builder在生成系统期间会为任何定制指令创建宏，通过这些自动产生的C和汇编语言宏就可以方便地访问自定义指令操作码。

2 实现定制指令

以Altera的Nios2.0版嵌入式处理器为例实现定制指令，同时点击Custom Instructions标签创建或编辑Nios CPU，如图2。

Custom Instruction标签是系统设计都 连接定制逻辑和Nios CPU的ALU的界面。首先，选择定制指令的操作码，有USR0～USR4五个操作码可供使用。然后，导入和扫描作为定制指令的HDL文件。Design Import Wizard扫描顶层模块的端口，进行合适连接。Design Import Wizard可以接受以下类型的文件：VerilogHDL/VHDL/EDIF/VQM以接受以下类型的文件：Verilog HDL、VHDL、EDIF、VQM和Altera QuartusII原理图。导入设计文件之后，分配定制指令所需的CPU时钟周期数目和定制指令名。

在系统生成期间，SOPC Builder工具用作ALU一部分的定制逻辑来创建Nios CPU,受所选的操作码控制软件开发包用定制指令名创建在C/C++和汇编语言中使用的软件宏。这些在定制软件开发包ince下。

图2 定制指令设计界面

    设计者通过创建的软件宏访问定制指令。在C/C++中，宏就像函数调用一样使用。如果使用前缀端口，就要用前缀创建不同的宏。例如，为浮点单元（FPU）创建两个C/C++宏。例如，为浮点单元（FPU）创建两个C/C++宏是：

result=nm_fpu(data,datb); //不使用前缀

result=nm_fpu_pfx(prefix,data,data); //使用前缀

在汇编语言中，宏调用USR操作码，按标准汇指令一样使用。如果使用前缀，那么在宏之前必须有一个PFX指令。有关用户定义操作码（USR0～USR4）的详细资料可参Nios Software Development Reference Manual。

3 MP3播放器的定制指令设计

以MP3播放器设计为例，采用定制指令对设计进行优化。该设计通过增加两条定制指令，就能使系统执行性能提高大约3倍。图为该MP3系统设计框图。

（1）MP3解码器

在大多数MP3播放器中，处理器是用来管理函数和传输数据的。专用MP3解码器ASIC可用于执行密集计算量的解码和传数据给音频器件。本例中，Altera的Nios处理器用于完成处理控制信号，传输数据和进行MP3解码。通常，MP3解码器流程如下：

①通过IDE接口从CF（CompactFlash controler）中读取MP3数据；

②将MP3数据存入SPAM中缓存；

③对MP3数据解码；

④将MP3边带合成到脉冲编码调制（PCM）数据；

⑤把PCM数据传给脉宽调制器PWM。

此外，播放器采用MPEG Audio Decoder(MAD)进行MP3解码，是基于以下方面：

①100%定点（整数）计算；

②网上有可利用的源码；

③在GNU Ceneral Public License（GPL）下发布。

（2）定制指令
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    我们知道在执行MP3解码的过程中，大量时间花费在边带的合成上。因此，优化Altera MP3的重点就落在函数mad_synth_frame上。我们可通过使用定制指令f_mul和DCT32来优化该函数。

F_mul

F_mul和mad_f_mul是MAD使用的宏，用整数乘法来模拟浮点乘法。定义如下：

#define mad_f_mul(x,y)

((((x)+0x00002000L)>>14)×(((y)+0x00002000L))>>14)

#define f_mul(x,y)

(((x)0x0001FFFFL) ((y)0x0001FFFFL))

这些函数完成的功能是一组易被硬件实现的操作，包括移位、加法、乘法和逻辑或运算。在Altera MP3的优化设计中，用硬件定制指令f_mul执行原先用软件宏；还可利用前缀选项，把两个宏合为一个单定制指令。以下就是用Altera的定制指令定义（f_mul和mad_f_mul）：

#define f_mul(x,y)nm_fmul((x),(y));

#define mad_f_mul(x,y)nm_fmul_pfx(1,(x),(y));

DCT32

在MP3解码中，DCT32完成离散余弦变换。MAD软件用优化过的DVT来增强性能。从软件角度来看，该优化算法比起一般DCT对提高性能具有重大意义。因为标准DCT需要1024个乘法，而用优化后的DCT只需80个乘法。

图4 DCT32与mad_synth_frame软件流程

   

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