系统硬件设计 - 基于DSP的SOPC技术设计

　3 系统硬件设计

　　系统的硬件系统包括3个部分：FPGA部分、存储器部分和外围元器件部分。FPGA部分是建立在FPGA内的，在SOPC Buider中需要设计的就是该部分。其中包含1个NiosII CPU核，1个内部时钟，1个Avalon总线控制器，连接Nios II核的下载和调试程序的JTAG_UART通信模块，DDS接口模块及DDS模块，FIR、IIR数字滤波器接口模块及功能模块，编解码模块及接口模块，以及Flash存储器模块等。其设计与一般的嵌入式开发不同，可在Nios II核外(但还在同一个FPGA芯片内)加入相应的外设模块核，并通过在片上的Avalon总线与Nios II相连。为使具有DSP处理器功能的Nios II系统正常工作，在FPGA外围接有一些控制键，以调度各模块的应用。

　　3．1 建立Nios II嵌入式处理器系统

　　首先，利用Quartus II建立项目工程，选用的目标器件为Cyclone EPIC12； 
再用SOPC Bider创建Nios II组件模型，生成硬件描述文件，锁定引脚后进行综合与适配，生成Nios II硬件系统下载文件；然后建立Nios II嵌入式系统，从SOPC Buider组件栏中加入所需的组件(如Nios IICPU核、定时器Timer、JTAG_UART、Avalon三态总线桥、键输入I／O口和Flash等)。另外，为了实现NiosII处理器对EPCS Flash存储器的读写访问，还要加入一个EPCS Serial F1ash Controller组件。通过此控制器将用于FPGA配置的SOF文件和CPU运行的软件一并存于EPCS器件中，以便大大简化硬件系统组成结构。为了保证所有组件的地址安排是合法的，要对各组件地址实行自动分配；最后进行全程编译(即分析、综合、适配和输出文件装配)，完成Nios II硬件系统的设计。

　　在Nios II硬件系统设计完成后。将配置文件下载到指定的FPGA中。通过SOPC Buider软件窗口，可进入Nios II IDE软件开发环境进行软件设计。

　　3.2 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，除了要求DSP高速外，由于DSP处理的算法往往比较复杂，如果单纯使用DSP Bider来实现纯硬件的DSP模块，会耗费过多的硬件资源，因此有时也无法完成许多算法复杂的模型。而Nios II则是一个建立在FPGA上的嵌入式微处理器软核，它有一个重要的特性是具有自定制指令。

　　在DSP算法中会反复出现一些运算(如复数乘法器、整数乘法器、浮点乘法器等)，而在通用的CPU中都没有专门用于复数乘法计算和浮点乘法计算的相关指令。在系统设计中，利用MATLAB、DSP Buider或者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Quartus II环境中对上述文件做一些修正后，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语言，甚至C++语言来运用这些自定义指令进行嵌入式程序设计。

　　根据复数运算的算法，假设有2个复数为a+bj和c+dj，则乘法表述为：

 

　　图2是用MATLAB、DSP Buider设计的复数乘法器模型。它实现了一个16位的复数乘法，虚部和实部都是16位，可以用一个32位的值表示该复数。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，还须进行以下操作：

　　①单击图标SignalCompiler对其进行转换，选择器件(用Cyclone)和Quartus II综合器．转换后使其生成SOPCBuider的PTF文件。

　　②退出MATLAB后，在Quartus II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窗口双击CPU项，进入“指令加入”编辑窗，将这个硬件模块设置成自定义的复数乘法指令。

　　指令生成后，可利用Quartus II编辑C程序进行测试；测试成功后，在DSP算法计算中遇到复数乘法就可以运用复数乘法指令。这种方法将常用的硬件模块生成指令，通过软硬件并存的设计方法在FPGA中实现较复杂的DSP算法，能够将软件的灵活性和硬件的高速性结合起来，较好地解决了现代DSP设计中的诸多问题。但对于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。

　　另外，Nios II的外设是可任意定制的，Nios II系统的所有外设都是通过Avalon总线与Nios II CPU相接的。Avalon总线是一种协议较为简单的片内总线，Nios II通过Avalon总线与外界进行数据交换。在本系统中，采用AvalonSlave外设方式加入了自定制AvalorL总线组件A／D转换接口模块、D／A接口模块，用于控制采样A／D的工作以及高速D／A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Nios II CPU对DDS模块的控制，以及通过外部键盘来控制DSP功能的选择。

　　结语

　　整个系统除了A／D、D／A转换器和控制选择键盘外接外，其余都在一片FPGA町编程芯片中。由于有NiosII作CPU，因此既可自定义指令，也可通过Avalon总线自定义各种接口模块组件，使整个DSP系统的使用灵活多样，在现代DSP技术中有着越来越多的应用。