Nios嵌入式系统

嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用软件，嵌入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和软核之分。常用的嵌入式处理器硬核有arm、mips、powerpc、intel x86和motorola 68000等；altera公司开发的nios是16/32位嵌入式处理器软核。和硬核相比，软核的使用灵活方便。

nios嵌入式处理器是可配置的通用risc处理器，可以很容易地与用户逻辑相结合，集成到altera fpga器件中。nios具有16位指令系统，用户可选择16位或32位数据宽度和可灵活配置的标准外围设备及软件库。nios系统将处理器、存储器、输入输出接口和其他ip核灵活地集成到sopc设计中。

嵌入式系统（embedded system）是当今最热门的概念之一，但这个概念并非新近才出现。从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样嵌入式处理器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

嵌入式系统最初的应用是单片机系统。20世纪70年代出现的单片机使汽车、家电、工业机器、通信装置及其他成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能、更容易使用，更快和更便宜，这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点。

嵌入式系统应用广泛，嵌入式处理器的使用数量已经远远超过了通用微处理器。个人计算机的外部设备中就有多个嵌入式处理器。制造、控制、通信、测量、汽车、船舶、航空、航天、军事设备和消费类产品等都是嵌入式系统发挥重要作用的领域。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和软件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。

可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义：

嵌入式系统面向用户、面向产品和面向应用，必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。嵌入式系统与应用紧密结合，具有很强的专用性。

嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、高度分散和不断创新的知识集成系统。

嵌入式系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。比较好的发展模式是：首先建立相对通用的硬件和软件基础，然后开发出适应各种需要的嵌入式系统。

同时还应该看到，嵌入式系统是一个外延极广的概念。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的系统都可以称为嵌入式系统。

一般而言，嵌入式系统和通用计算机系统类似，由处理器、存储器、输入输出接口和设备以及软件等部分组成。但作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下几个重要特征。

系统简练。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以系统内核与传统的系统相比要小得多。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求功能设计和实现的过于复杂，这既有利于控制系统成本，同时也有利于实现系统安全。

专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件的设计，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据硬件的变化和增减对软件不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译**也要同系统相结合。

实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直接运行，但为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实时操作系统（real-time operating system，rtos）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开发时间，保障软件质量。

专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完成以后用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发工具和环境一般基于通用计算机的软硬件设备、逻辑分析仪和信号示波器等。

在嵌入式系统的软件开发过程中，采用c语言将是最佳的选择。由于汇编语言是非结构化的语言，不能胜任大型的结构化程序设计，必须采用更高级的c语言进行设计。

随着半导体技术的不断发展，片上系统（system on a chip，soc）成为嵌入式应用领域的热门方向之一。soc最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内嵌入操作系统的**模块。此外，soc有极高的综合性，在一个芯片内部运用vhdl等硬件描述语言可以实现复杂的系统。

用户使用soc，不需要再像传统的系统设计一样绘制庞大复杂的电路板，而只需要使用相应的开发工具，将处理器、存储器和接口逻辑集成在一起，并开发相应的软件，编译**之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

soc通常是专用集成电路（asic），所以不为用户所熟知，而且其开发周期长，生产成本高，产品不能进行修改。随着可编程逻辑器件（programmable logic device，pld）的广泛应用，可编程片上系统（system on a programmable chip，sopc）越来越多地受到人们的关注。

sopc是在pld上实现soc，pld的可编程性使sopc的设计和实现非常方便。用户可以灵活地进行系统硬件和软件设计，还可以在现场进行系统修改。pld性能的不断提高，也使sopc的性能越来越高。

altera是pld的大生产商，生产的pld有cpld（complex programmable logic device，复杂可编程逻辑器件）和fpga（field programmable gate array，现场可编程门阵列）两大系列。cpld和fpga的结构有所不同，但功能差别不大，作为新产品的fpga要比早期的cpld性能强大。

altera的sopc嵌入式处理器（embedded processor）解决方案有两种：嵌入arm922t硬核的excalibur器件和用于fpga的可配置nios嵌入式处理器软核。

nios嵌入式处理器是用户可配置的通用risc嵌入式处理器，它是一个非常灵活和强大的处理器。nios处理器的易用和灵活已经使它成为世界上最流行的嵌入式处理器。

嵌入式设计者利用sopc builder系统开发工具能够很容易地创建自己的处理器系统。sopc builder可用于集成一个或多个可配置的带有许多标准外围设备的nios cpu，并利用自动形成的**alon交换结构总线将这些系统连接在一起。

可配置nios cpu是nios处理器系统的核心，它能够被灵活配置而适用于各种各样的应用。例如一个16位nios cpu，在片内rom中运行一个小程序，可以制作成一个实际的序列发生器或控制器，并且能够代替固定编码的状态机。又如一个32位nios cpu，与外围设备、硬件加速单位和自定义指令一起，构成一个功能强大的32位嵌入式处理器系统。

nios嵌入式处理器的独特性（例如自定义指令和并行的多控制器**alon交换结构总线）使它不同于市场上其他的处理器软核。这些特性允许nios用户通过用简单的而非传统的方法加速和优化自己的设计。

32位和16位nios嵌入式处理器典型配置的比较如表1-1所示。

注：① 其具体数值与器件结构有关。

nios嵌入式处理器指令系统结构的设计具有以下特性：

在altera fpga中有效实现。

使用最少的逻辑单元。

使用最少的存储单元。

最大的时钟速度。

用sopc builder容易进行系统集成。

简单的存储器接口。

标准的可配置外围设备库。

在cpu、外围设备和存储器之间自动形成**alon交换结构接口逻辑电路。

为编译嵌入式软件优化指令系统结构。

灵活的寻址方式。

大容量内部寄存器组的有效利用。

快速的中断处理。

硬件加速模块。

有效算法实现。

mstep指令：单步乘法单元。

mul指令：快速整数乘法单元。

自定义指令。

nios嵌入式处理器支持altera主流fpga的全部系列，器件支持如表1-2所示。

随着超过1万个nios开发套件的交付使用，nios嵌入式处理器已经成为嵌入式处理器软核的标准。3.0版本的nios嵌入式处理器具有更高的性能，包括：

更快地存取低成本的sdram器件。

片内指令和数据高速缓存。

支持实时调试的jtag调试器。

增强的**alon交换结构总线。

nios嵌入式处理器的系统组件、开发工具和开发平台如表1-3所示。

nios嵌入式处理器系统包括一个或多个nios cpu、**alon交换结构总线和其他组件。altera的sopc builder系统开发工具可以自动生成这些组件以及连接它们的总线。

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