自定製Nios處理器的FFT演算法指令

1 引言
    在Altera的Nios嵌入式處理器中。用戶可以在Nios指令系統中增加用戶自定製指令來滿足某種特定的應用需求。自定製指令可以訪問存儲器或Nios系統外的邏輯資源。增強系統的實時處理能力，特別適用於DSP、數據包處理及對計算密集型軟體進行優化。
    Altera高性能快速傅立葉變換(FFT)處理器IP核FFT V2.2.0為實現高速FFT演算法提供了成功的解決方案，將FFT演算法定製為Nios嵌入式處理器的用戶指令，用已實現的高性能FFT演算法作為Nios嵌入式系統的一個加速模塊，使系統可以完成複雜的數據處理任務。

2 Nios自定製指令的軟硬體介面
    使用用戶自定製指令，用戶能夠向Nios的ALU和指令系統增加用戶自定製功能，完整的用戶自定製指令包括用戶自定製邏輯和軟體宏兩部分。
    用戶自定製邏輯是完成用戶操作的硬體部分，Nios最多支持5個用戶自定製邏輯作為ALU的一部分。軟體宏提供軟體介面，Nios將創建相應C/C++和彙編的宏代碼，使得用戶能夠訪問用戶自定製邏輯。Nios自定製指令支持多種設計文件，主要有Verilog HDL、VHDL、EDIF netlist file、Quartus II Block Design File等。由於用戶自定製指令邏輯需要直接連到ALU上．所以Nios提供一套預先定義好名稱和功能的介面，如圖1所示。Nios配置嚮導會掃描用戶自定義邏輯，搜索需要的埠。並把這些埠連到ALU上，這就要求用戶自定製邏輯必須指定所需的埠類型，使用預先定義的埠名稱。保證自定製邏輯埠能正確地連到ALU。
 
    當然，Nios也允許用戶自定製指令與Nios系統外部的功能模塊進行信息交流。如果配置嚮導沒能識別用戶邏輯模塊的某個埠。它將該埠引出到系統模塊的頂層．使得外部邏輯可以訪問這些信號，這些埠用export標記。當用戶自定製邏輯被集成到Nios處理器的ALU后．可以通過軟體訪問用戶自定製邏輯，Nios系統中包括5個用戶操作碼，如表1所示，用戶可以通過用C/C++或彙編寫的宏來調用這些操作碼，通過它們來訪問用戶自定製邏輯。

表1用戶操作碼、類型和操作

操作碼	類型	操作
USR0	RR	Ra<-Ra op Rb
USR1	Rw	Ra<-Ra op %to
USR2	Rw	Ra<-Ra op %to
USR3	Rw	Ra<-Ra op %to
USR4	Rw	Ra<-Ra op %to

  
    寫C/C++代碼時，Nios寄存器的使用是透明的，編譯器會自動選擇寄存器，而在彙編中則必須指定寄存器。在增加了用戶自定製指令后，Nios配置嚮導會自動創建相應的宏，支持對宏進行手工命名，以提高軟體代碼的可讀性。
    在C/C++中通過一個函數調用來訪問用戶自定義指令。SOPC Builder自動生成的Nios系統頭文件(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，其中前一個使用了prefix埠，后一個沒有使用prefix埠。
nm_<name>_pfx(prefix,data,datab)
nm_<name>(data,datab)

3 FFT演算法實現
    FFT演算法由Altera的FFT IP核FFT V2.2.0實現，FFT V2.2.0是一個高性能、參數化快速傅立葉變換(FFT)處理器IP核，對Altera StratixII、Stratix GX、Stratix以及Cyclone系列器件進行了設計優化．可以完成變換長度為2^m(6≤m≤14)的基-2/4按頻率抽取(DIF)的複數FFT演算法，IP核使用模塊浮點結構可在
數據處理過程中保持最大數據動態範圍，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相關參數設置為：變換長度(Transform Length)選擇1024點，數據精度選擇16位，旋轉因子精度選擇16位，I/O數據流選擇Streaming形式，複數乘法器結構(Structure)由3個乘法器、5個加法器完成。
    圖2給出了FFT演算法模塊的外部埠，I/O介面協議採用Atlantic介面，輸入介面為主設備匯端(Master Sink)，輸出介面為主設備源端(Master Source)，Atlantic介面相關內容可查閱文獻3，圖3為FFT在Modelsim環境下的模擬結果。
 
 

4 定製Nios核的FFT指令
    應用SOPC Builder系統開發工具建立一個嵌入Nios軟核的基本SOPC系統，系統組件如圖4所示。顯然，用戶可以根據實際應用的需要增加其它SOPC系統組件，這裡僅分析定製FFT演算法指令相關內容。
 
    通過自定製指令“Custom Instruction”界面中Import按鈕導入設計好的FFT.vhd文件，定製用戶指令FFT，這裡使用USR1操作碼，如圖5所示。
 
    在Nios系統中用戶自定製邏輯必須與指定的埠類型匹配，對於FFT來說，其輸入和輸出都是實部和虛部為16位的複數，正好可以用一個32位的值來表示 這樣FFT.vhd程序的埠(port)可以按如下方法設置：
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埠換成兩個32的輸入輸出埠dataa和result，另外，還必須加上start和clk_en兩個輸入埠，雖然這兩個埠信號在程序中沒有作用。埠例化時再與原有埠對應，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其餘Atlantic介面信號用export標記，這些埠引出到系統模塊的頂層，外部邏輯可以訪問這些信號。
    重新生成SOPC系統並更新后得到如圖6所示的加入自定製FFT演算法指令的Nios處理器，將其全程編譯並下載到相應FPGA后，結合Atlantic介面邏輯、FIFO存儲器電路，用戶即可在C或C++中調用nm_fft指令來完成1024點的高速FFT演算法。
 

5 結論
    自定製Nios處理器的用戶指令方法，使設計者可以為某種特定的應用定製自己的指令，定製指令的方法在降低軟體複雜性的同時，明顯地提高了Nios處理器的性能．幫助系統完成複雜的數據處理。
    本文作者創新點：基於IP核FFT V2.2.0實現了變換長度為1024點的高速複數FFT演算法，提出了一種新穎的在Nios嵌入式系統中定製用戶FFT演算法指令的方法，使系統可以完成複雜的數據處理任務，增強了系統的實時處理能力。

參考文獻：
[1]梁曦捷，肖璋．一種基於FPGA的順序迭代FFT設計 微計算機信息，2005，1-2
[2]Altera DataSheet FFT Compiler Megacore Function User Guide 2.2.0 rev1 2005.10
[3]Altera DataSheet Custom instructions for the Nios embedded Processor User Guide ve1.1.2 2002.9
[4]Altera DataSheet Altera Interface Functional Specificmion Ver.3.0 2002.6
[5]潘松 黃繼業 曾毓 SOPC技術實用教程[M]北京清華大學出版社2005年3月131-139