自定制Nios處理器的FFT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制指令來滿足某種特定的應用需求。自定制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，特別適用于DSP、數據包處理及對計算密集型軟件進行優化。

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算法提供了成功的解決方案，將FFT算法定制為Nios嵌入式處理器的用戶指令，用已實現的高性能FFT算法作為Nios嵌入式系統的一個加速模塊，使系統可以完成復雜的數據處理任務。

2 Nios自定制指令的軟硬件接口

使用用戶自定制指令，用戶能夠向Nios的ALU和指令系統增加用戶自定制功能，完整的用戶自定制指令包括用戶自定制邏輯和軟件宏兩部分。

用戶自定制邏輯是完成用戶操作的硬件部分，Nios最多支持5個用戶自定制邏輯作為ALU的一部分。軟件宏提供軟件接口，Nios將創建相應C/C++和匯編的宏代碼，使得用戶能夠訪問用戶自定制邏輯。Nios自定制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。由于用戶自定制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接口，如圖1所示。Nios配置向導會掃描用戶自定義邏輯，搜索需要的端口。并把這些端口連到ALU上，這就要求用戶自定制邏輯必須指定所需的端口類型，使用預先定義的端口名稱。保證自定制邏輯端口能正確地連到ALU。



當然，Nios也允許用戶自定制指令與Nios系統外部的功能模塊進行信息交流。如果配置向導沒能識別用戶邏輯模塊的某個端口。它將該端口引出到系統模塊的頂層．使得外部邏輯可以訪問這些信號，這些端口用export標記。當用戶自定制邏輯被集成到Nios處理器的ALU后．可以通過軟件訪問用戶自定制邏輯，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++或匯編寫的宏來調用這些操作碼，通過它們來訪問用戶自定制邏輯。



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，而在匯編中則必須指定寄存器。在增加了用戶自定制指令后，Nios配置向導會自動創建相應的宏，支持對宏進行手工命名，以提高軟件代碼的可讀性。

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端口，后一個沒有使用prefix端口。

nm__pfx(prefix,data,datab)

nm_(data,datab)

3 FFT算法實現

FFT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2m(6≤m≤14)的基-2/4按頻率抽取(DIF)的復數FFT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范圍，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，復數乘法器結構(Structure)由3個乘法器、5個加法器完成。

圖2給出了FFT算法模塊的外部端口，I/O接口協議采用Atlantic接口，輸入接口為主設備匯端(Master Sink)，輸出接口為主設備源端(Master Source)，Atlantic接口相關內容可查閱文獻3，圖3為FFT在Modelsim環境下的仿真結果。

4 定制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，這里僅分析定制FFT算法指令相關內容。



通過自定制指令“Custom Instruction”界面中Import按鈕導入設計好的FFT.vhd文件，定制用戶指令FFT，這里使用USR1操作碼，如圖5所示。



在Nios系統中用戶自定制邏輯必須與指定的端口類型匹配，對于FFT來說，其輸入和輸出都是實部和虛部為16位的復數，正好可以用一個32位的值來表示 這樣FFT.vhd程序的端口(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端口換成兩個32的輸入輸出端口dataa和result，另外，還必須加上start和clk_en兩個輸入端口，雖然這兩個端口信號在程序中沒有作用。端口例化時再與原有端口對應，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其余Atlantic接口信號用export標記，這些端口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系統并更新后得到如圖6所示的加入自定制FFT算法指令的Nios處理器，將其全程編譯并下載到相應FPGA后，結合Atlantic接口邏輯、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算法。



5 結論

自定制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制自己的指令，定制指令的方法在降低軟件復雜性的同時，明顯地提高了Nios處理器的性能．幫助系統完成復雜的數據處理。

本文作者創新點：基于IP核FFT V2.2.0實現了變換長度為1024點的高速復數FFT算法，提出了一種新穎的在Nios嵌入式系統中定制用戶FFT算法指令的方法，使系統可以完成復雜的數據處理任務，增強了系統的實時處理能力。

參考文獻：

[1]梁曦捷，肖璋．一種基于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