??? Nios II開發(fā)的基本思想是在FPGA已經(jīng)開發(fā)的邏輯處理模塊單元外再嵌入一個Nios II自動生成的處理器模塊單元。生成一個可選擇配置的Nios II 處理器軟核需要利用Quartus II集成的SoPC Builder工具。在本文的仿真中，為了實現(xiàn)較小的資源配置，選擇NIOS II/e經(jīng)濟類型處理器核。Nios II處理器中必須包括的內(nèi)容有Nios CPU Core，這是嵌入式處理器的最基本軟核。它與一個在線調(diào)試串口（JTAG_UART）就構(gòu)成了Nios II中最小的處理器。其他可選擇添加的內(nèi)容有on_chip_memory（片上存儲器）、UART（串口）、輸入輸出口、Timer（定時器）、SDRAM、FLASH和Avalon三態(tài)總線橋。經(jīng)過軟件自動生成的處理器可以像其他邏輯模塊一樣直接在HDL程序中調(diào)用或者在原理圖中連線。Nios II處理器支持C及C++語言，可在Nios IDE軟件中進行編譯及調(diào)試。調(diào)試通過后，利用Quartus II綜合系統(tǒng)就可在硬件上下載調(diào)試。本文建立的Nios II經(jīng)濟型處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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1.3 NIOS II/e經(jīng)濟類型占用資源分析
??? 經(jīng)過仿真可以得到Nios II經(jīng)濟型嵌入式處理器所占用的邏輯單元(LEs)和存儲單元（memory）的數(shù)量，如表1所示。

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??? 由表1可知，使用Nios II實現(xiàn)最小功能的軟核處理器（僅包含處理器核以及一個在線調(diào)試JTAG）需要大約2000LEs，這對于很多LEs資源不多的FPGA來說是一個很大的消耗。在并行存在大規(guī)模邏輯處理單元的情況下，在某些FPGA中利用Nios II實現(xiàn)嵌入式微處理器軟核成為一件困難的事情。而且Nios II處理器僅支持Stratix、Stratix GX、Stratix II和Cyclone系列以及以后推出的FPGA系列，不能應用于其他系列FPGA。
??? 下面討論一種在LEs資源不豐富的Altera系列FPGA上集成最小配置的嵌入式處理器的方法。此方法使用最小配置的Mico8軟核作為嵌入式軟核。在功能足夠的情況下，所占用的資源遠小于Nios II，對于LEs資源不豐富或者不支持Nios II的Altera系列FPGA是一種理想選擇。
2 Mico8簡介及建立流程
??? Lattice Mico8^TM是一個8位軟微處理核，它是一種非常靈活的單片機內(nèi)核，目前有4種配置情況。每種配置方式所支持的指令略有不同，不同配置的Mico8所具備的設計資源，包括內(nèi)部的寄存器、存儲器是不一樣的，所需要的FPGA實現(xiàn)的邏輯大小也不一樣。設計者在使用時可以根據(jù)實際的設計需要選擇配置模式。
??? 本文首先在Lattice的MACHXO系列FPGA平臺上建立Mico8處理器，然后移植到Altera系列FPGA上。
??? 在MACHXO上建立Mico8的流程如圖3所示。

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??? Mico8只支持匯編代碼，因此，在編寫處理器代碼時只能使用特定的匯編程序。Mico8的指令集包括位操作、算術(shù)操作、比較操作等通用的匯編指令和一些偽指令。其格式與通用匯編指令有一些差別[1]。建立一個完整的Mico8處理器內(nèi)核需要使用的基本軟件工具有ispLEVER（用于完成LatticeMico8系統(tǒng)的綜合、硬件優(yōu)化、適配、編程下載和硬件測試)、isp8asm_asm.exe(用于編譯初始化prom的匯編指令）以及isp8asm_asm.exe（用于對匯編指令進行仿真）。Mico8的另一優(yōu)點是對于編譯和仿真工具具有完全開放的C源代碼" title="源代碼">源代碼可供參考，可以根據(jù)用戶需要修改源代碼。isp8asm_win.exe 編譯匯編語言程序生成初始化EBR的hex文件命令格式為：isp8asm_win.exe-vx-o?鄢.hex?鄢.s。isp8sim_win.exe的作用是對編譯成功的匯編程序進行仿真，命令格式為：isp8sim_win.exe-t mico8_demo.hex，可以對二進制或十六進制代碼進行跟蹤及反匯編。匯編程序仿真成功以后，編譯所生成的十六進制或二進制文件就可以作為初始化軟核中的prom的代碼，類似于要下載到單片機prom或者Flash中的十六進制或二進制文件。
??? 對軟核的配置可以利用Mico8已經(jīng)給定的4種配置形式^[2]，除此之外還可以對Mico8進行手動配置，配置內(nèi)容包括內(nèi)部RAM的寬度、PROM地址線寬度以及是否使用外部RAM等。不同的配置會改變Mico8的功能和消耗資源，對其運算速度不會產(chǎn)生影響，配置文件會對Mico8軟核的相關部分進行修改。在本文中，使用最小配置，即16位RAM、9位PROM地址線寬度和不使用外部RAM。對于不同的Lattice器件，Mico8是不兼容的，要對軟核的源代碼或相關單元進行修改。例如本文中所使用的MACHXO系列，只能支持分布式RAM，這就要利用ispLEVER Project Navigator對Mico8軟核的PROM進行修改，并在Mico8源代碼中將相應的設制改為XO。
??? 利用ispLEVER Project Navigate建立新工程，在確定路徑、編程語言、綜合工具、器件后生成新項目并導入項目文件。導入文件時應該注意ispLEVER會自動將模塊分層，需要保證導入文件之間模塊的引用層次正確。如果HDL文件層次不對，將出現(xiàn)不止一個頂層，不能進行后續(xù)操作。同時在導入文件時需要區(qū)分普通文件和測試文件。測試文件只有在用modelsim進行仿真時才起作用，不能用于實際硬件中。生成適合MACHXO系列FPGA。
??? 可以利用ispLEVER嵌入的工具Ipexpress。在菜單中選擇分布式ROM（Distributed ROM）并指定ROM的地址寬度、數(shù)據(jù)長度和初始化文件（對匯編編譯生成的HEX文件），指定文件格式HEX 類型。將生成ROM的HDL文件prom.v重新引入工程即可編譯成功。經(jīng)過分配管腳，編譯成功后即可生成可下載的JEDEC文件，這時頂層文件就是一個配置最小的Mico8核。
??? 生成的Mico8可以在Lattice的MACHXO器件上直接應用，但是本文舉的例子要在Altera系列FPGA上進行應用，還需要對Mico8進行移植。
3 把Mico8軟核移植到Altera器件
??? Mico8軟核與其他硬件具有很好的兼容性，其大多數(shù)單元可以在Altera器件上直接進行移植。移植過程包括兩個步驟：在Quartus II的新工程中導入相關的Mico8內(nèi)核文件和配置文件，在Altera器件基礎上重新創(chuàng)建與Lattice器件不兼容的RAM以及ROM。
??? 其中，LatticeMico8的分布式ROM與Altera不兼容，需要利用Quartus II自帶的mega-plug in manage重新建立單口ROM。LatticeMico8的SPRAM和SDRAM與Altera兼容，但比Altera自動生成的單元更耗費LEs，因此建議進行移植，重新生成Altera SPRAM和SDRAM操作。移植過程與上類似，不再贅述。在工程中需要引用新的存儲模塊。Altera定義DPRAM時序與Lattice中定義的DPRAM時序不同，會造成錯誤。因此采用Mico8中的DPRAM源文件雖然會浪費一定的邏輯單元，但指標可以達到要求。
??? Altera中，初始化PROM文件采用Intel Hex文件格式，需要對Mico8的初始化PROM文件進行格式轉(zhuǎn)換，或者在Quartus II的寄存器編譯器中直接填寫利用Quartus II自動轉(zhuǎn)換為Intel Hex文件格式。Intel HEX由一條或多條記錄組成，每行一個記錄，每條記錄以冒號“：”開始，以回車(0DH)和換行(0AH)結(jié)束。除“:”外，每條記錄有五個域，每一域由2N(N>=1)個HEX字符組成，格式為：:[AA][BBBB][CC][DD….DD][EE]。其中，[AA]表示該記錄的實際數(shù)據(jù)的長度；[BBBB]表示該記錄所包含的數(shù)據(jù)在實際存儲區(qū)中的起始地址；[CC]為該記錄的類型；[DD….DD]為該記錄的實際數(shù)據(jù)，由2N(N>=1)個HEX字符組成，該域的長度應當與[LL]域所指出長度一致；[EE]為該記錄的數(shù)據(jù)校驗和。文件格式轉(zhuǎn)化可以用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)。
??? 完成上述移植過程后的Mico8軟核可以在Altera系列FPGA上直接應用，應用時把Mico8軟核直接作為單元模塊導入系統(tǒng)工程中即可。在Altera中，Mico8軟核的資源利用情況如表2所示。

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