基于Nios的FFT算法軟硬件協(xié)同設(shè)計

摘要：在深入研究Nios自定制指令的軟硬件接口的基礎(chǔ)上，利用Matlab／DSP Builder建立快速傅里葉變換FFT核心運算指令基本模型，然后用Altera公司提供的Singacompiler工具對其進(jìn)行編譯，產(chǎn)生 QuartusⅡ能夠識別的VHDL源程序，并將此程序在Nios中自定制成相關(guān)的FFT運算指令。利用自定制的FFT運算指令，在Nios中利用C語言 編寫基于Nios的FFT算法程序，實現(xiàn)了FFT運算的軟硬件協(xié)同設(shè)計。經(jīng)測試表明，將FFT算法加入到Nios嵌入式處理器指令集中，可以幫助系統(tǒng)完成 復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，增強(qiáng)Nios系統(tǒng)的實時處理能力。該設(shè)計方法打破了軟硬件間的屏障，大大加快了系統(tǒng)的功能驗證。
關(guān)鍵詞：FFT；自定制指令；軟硬件協(xié)同設(shè)計；EP2C5Q208C8

在自動控制領(lǐng)域，往往要對被控對象進(jìn)行狀態(tài)檢測，從而作出下一步的處理，達(dá)到控制的目的，因此自動控制系統(tǒng)離不開對被控系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以便對其進(jìn)行 處理，例如滾動軸承故障、電動機(jī)故障等均可以利用頻譜分析法對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。要檢測被控對象的狀態(tài)，就離不開數(shù)字信號處理，因此，數(shù)字信號處 理應(yīng)用廣泛。并且FFT(快速傅里葉變換)促進(jìn)了數(shù)字信號處理的發(fā)展，它可應(yīng)用傅里葉變換理論所能涉及的任何領(lǐng)域。對于FFT工程的實現(xiàn)方法有軟件法和硬 件法，即通過軟件程序完成FFT運算，這種方法可適用于各種數(shù)字信號處理的應(yīng)用場合，很靈活，但缺點是不能進(jìn)行實時處理。而使用專用硬件完成數(shù)字信號處理 的方法能夠?qū)崿F(xiàn)實時處理，但外圍電路相對復(fù)雜，不易擴(kuò)展，靈活性差，且價格昂貴。因此人們一方面尋求結(jié)構(gòu)簡單、運算速度快，存儲量小的FFI實現(xiàn)方法，另 一方面采用先進(jìn)的VLSI技術(shù)改進(jìn)實現(xiàn)FFT的硬件結(jié)構(gòu)，將算法硬件化。
Nios嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠商Althera推出的軟核CPU，它是一種面向用戶的、可靈活定制的通用RISC嵌入式CPU。用戶可以在 Nios指令系統(tǒng)中增加用戶自定義指令，以增強(qiáng)對強(qiáng)實時軟件算法的處理能力，可以把一個復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡化為一條用硬件實現(xiàn)的單個指令。特別是在需要 使用大量FFT算法的場合，可以根據(jù)用戶的需要，定制專門的FFT處理器硬件和定制一些諸如復(fù)數(shù)乘法或復(fù)數(shù)加法等傳統(tǒng)運算指令，使Nios系統(tǒng)不但具有常 規(guī)數(shù)字信號處理器功能，而且具有軟件實現(xiàn)FFT運算處理的特點。

1 FFT算法原理
1．1 按時間抽取的基-2 FFT算法
設(shè)序列x(n)長度為N，且滿足N=2M，M為正整數(shù)。按n的奇偶把x(n)分解為2個N／2點的子序列：

則可將DFT化為：

式中，X1(k)與X2(k)分別是x1(r)及x2(r)的N/2點DFT。