3 系統硬件設計

　　系統的硬件系統包括3個部分：FPGA部分、存儲器部分和外圍元器件部分。FPGA部分是建立在FPGA內的，在SOPC Buider中需要設計的就是該部分。其中包含1個NiosII CPU核，1個內部時鐘，1個Avalon總線控制器，連接Nios II核的下載和調試程序的JTAG_UART通信模塊，DDS接口模塊及DDS模塊，FIR、IIR數字濾波器接口模塊及功能模塊，編解碼模塊及接口模塊，以及Flash存儲器模塊等。其設計與一般的嵌入式開發不同，可在Nios II核外(但還在同一個FPGA芯片內)加入相應的外設模塊核，并通過在片上的Avalon總線與Nios II相連。為使具有DSP處理器功能的Nios II系統正常工作，在FPGA外圍接有一些控制鍵，以調度各模塊的應用。

　　3．1 建立Nios II嵌入式處理器系統

　　首先，利用Quartus II建立項目工程，選用的目標器件為Cyclone EPIC12；?
再用SOPC Bider創建Nios II組件模型，生成硬件描述文件，鎖定引腳后進行綜合與適配，生成Nios II硬件系統下載文件；然后建立Nios II嵌入式系統，從SOPC Buider組件欄中加入所需的組件(如Nios IICPU核、定時器Timer、JTAG_UART、Avalon三態總線橋、鍵輸入I／O口和Flash等)。另外，為了實現NiosII處理器對EPCS Flash存儲器的讀寫訪問，還要加入一個EPCS Serial F1ash Controller組件。通過此控制器將用于FPGA配置的SOF文件和CPU運行的軟件一并存于EPCS器件中，以便大大簡化硬件系統組成結構。為了保證所有組件的地址安排是合法的，要對各組件地址實行自動分配；最后進行全程編譯(即分析、綜合、適配和輸出文件裝配)，完成Nios II硬件系統的設計。

　　在Nios II硬件系統設計完成后。將配置文件下載到指定的FPGA中。通過SOPC Buider軟件窗口，可進入Nios II IDE軟件開發環境進行軟件設計。

　　3.2 DSP處理器功能系統的建立

　　使用DSP Buider在FPGA上進行DSP模塊的設計，可實現高速DSP處理。但是，在實際應用中，除了要求DSP高速外，由于DSP處理的算法往往比較復雜，如果單純使用DSP Bider來實現純硬件的DSP模塊，會耗費過多的硬件資源，因此有時也無法完成許多算法復雜的模型。而Nios II則是一個建立在FPGA上的嵌入式微處理器軟核，它有一個重要的特性是具有自定制指令。

　　在DSP算法中會反復出現一些運算(如復數乘法器、整數乘法器、浮點乘法器等)，而在通用的CPU中都沒有專門用于復數乘法計算和浮點乘法計算的相關指令。在系統設計中，利用MATLAB、DSP Buider或者VHDL設計并生成復數乘法器、整數乘法器、浮點乘法器等硬件模塊。在Quartus II環境中對上述文件做一些修正后，在SOPC Buider窗口中將它們定制為相應的指令，并可設定或修改執行該指令的時鐘周期。在進行DSP算法運算時，可通過匯編或C語言，甚至C++語言來運用這些自定義指令進行嵌入式程序設計。

　　根據復數運算的算法，假設有2個復數為a+bj和c+dj，則乘法表述為：

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　　圖2是用MATLAB、DSP Buider設計的復數乘法器模型。它實現了一個16位的復數乘法，虛部和實部都是16位，可以用一個32位的值表示該復數。在設計中，NiosII為32位數據，正好可以放置2個復數。

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　　要將這個復數乘法器硬件模塊設置成相應的指令，還須進行以下操作：

　　①單擊圖標SignalCompiler對其進行轉換，選擇器件(用Cyclone)和Quartus II綜合器．轉換后使其生成SOPCBuider的PTF文件。

　　②退出MATLAB后，在Quartus II環境中對轉換后所生成的復數乘法器的頂層VHDL文件進行修改。在SOPC Buider窗口雙擊CPU項，進入“指令加入”編輯窗，將這個硬件模塊設置成自定義的復數乘法指令。

　　指令生成后，可利用Quartus II編輯C程序進行測試；測試成功后，在DSP算法計算中遇到復數乘法就可以運用復數乘法指令。這種方法將常用的硬件模塊生成指令，通過軟硬件并存的設計方法在FPGA中實現較復雜的DSP算法，能夠將軟件的靈活性和硬件的高速性結合起來，較好地解決了現代DSP設計中的諸多問題。但對于DDS模塊，還是以硬件形式固化在FPGA中。可以根據需要，利用DDS設計出幅度、相位和頻率調制器。

　　另外，Nios II的外設是可任意定制的，Nios II系統的所有外設都是通過Avalon總線與Nios II CPU相接的。Avalon總線是一種協議較為簡單的片內總線，Nios II通過Avalon總線與外界進行數據交換。在本系統中，采用AvalonSlave外設方式加入了自定制AvalorL總線組件A／D轉換接口模塊、D／A接口模塊，用于控制采樣A／D的工作以及高速D／A的波形數據輸出；而自定義的Avalon總線組件DDS模塊接口和DSP功能轉換控制接口，則用于Nios II CPU對DDS模塊的控制，以及通過外部鍵盤來控制DSP功能的選擇。

　　結語

　　整個系統除了A／D、D／A轉換器和控制選擇鍵盤外接外，其余都在一片FPGA町編程芯片中。由于有NiosII作CPU，因此既可自定義指令，也可通過Avalon總線自定義各種接口模塊組件，使整個DSP系統的使用靈活多樣，在現代DSP技術中有著越來越多的應用。
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