每周一篇学Nios(1)---Nios/NiosII 处理器简介

Nios, 处理器, 简介

Nios/NiosII 处理器简介
Nios以及NiosII处理器是Altera公司为其FPGA产品配套开发的软核CPU。在逻辑功能上，它们是32位的精简指令集CPU；在实现方式上，它们是在FPGA上通过编程的方式实现的，这也是与传统的CPU的一个根本的差别。
2000年，ALtera公司推出第一代软核CPU--Nios，实现的载体为APEX系列FPGA，后期推出新型FPGA也都持它的实现。Nios包两个型号：16位Nios和32位Nios。这两个型的指令集是完全相同的，差别在于它们的总线宽度.。16位Nios的总线宽度为16bit，32位Nios的总线宽度为32bit。不过，按传统的CPU分类标准，它们都属于32位的CPU，因为们的处理字长都是32bit的，这与其总线宽度无关。16bit的Nios有着更小的体积，而32bit的Nios可以实现更高的性能，所以这两个型号分别针对着不同的应用。Nios CPU 可以实现50DMIPs的性能，最小体积为1000个LEs，和同一时期的其它嵌入式处理器相比，已属于高性能之列。
NiosII处理器是Altera公司在2004年推出的第二代软核CPU。同前一代软核CPU相比，NiosII有着更高的性能，更小的体积。其最大处理力是第一代软核的3倍，而小的体积只有550LEs,只有第一代软核的1/2大。NiosII有三个型号，分别为e型、s型、f型。它们分别是针对不同应用要求优化的。E型的体积最小，只有550个LEs；f型的性能最高，最大可以达到200DMIPs以上；s型又叫标准型，其体积与性能介于e型与f型之间。下表是一个实例对照表，通过它可以大致看出这三个型号的软核，在性能与体积上处于一个什么水平。不过应当注意，其中的测试结果是有条件的，不是绝对的。

NiosII的三个型号都是32位机，其总线宽度为32bit，总线结构为哈弗结构。它们指令集完全相同，所以，同一个软件可以不做任何的修改就可以三个型号间交换。它们的实现平台可以是Altera 的任何一款FPGA。
由于Nios和NiosII是在FPGA上实现的，所以先天的付予了它们很多独有的新特性，使之成为可裁剪、可调整、可补充的系统，更使其成为软硬件紧密融合的系统。
Nios/NiosII有着一个开放式的ALU，用户可以根据自己的需要对其进行补充，从而实现用户自己定义的指令。用户自定义指令在处理方式上同原有指令集中的指令是一样的，ALU面前它们一律平等，所以，在处理速度方面等同于原有指令；而用户自定义指令在专项处理方面要优于原有指令，因为它是有针对性的设计的，所以，应用用户自定义指令可以在不改变CPU主频的情况下大大提高系统处理能力。这个特性比较适合那些要求高处理速度，又不便于提高系统主频的场合。
Nios和NiosII的总线采用了哈佛结构，在很大程度上提高了系统的处理速度。由于系统的总线控制器是在FPGA中实现的，可以进行灵活的配置，在某些外设需要具有冯诺依曼特性时又可以把两套总线合二为一，从而在局部实现冯诺依曼结构，这样就使得系统总线兼有哈佛结的高效率与冯诺依曼结构的灵活性。Nios/NiosII系统总线自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组件工作在不同的主频下，使系统更为灵活。最新版的NiosII软核又增加了紧凑总线接口，可以让挂在其上的存贮设备工作在cache的速度。
NiosII软核从硬件上支持系统调试、程序下载、指令追踪、数据追踪，而不需要任何的boot程序。与NiosII配套的有四种Jtag调试模块，它们的调试功能有强有弱，占用资源有多有少，由用户根据需求自行选择。由于整个系统具有可重构性，所以，选择较强功能的调试模块不会造成系统资源的浪费，因为可以在调试工作完成以后对系统进行重构，去掉调试模块，释放其所占的资源。在其它的SOC系统中没办法把调试模块的功能做得太强，因为调试模块的选择是要折中考虑的，性能和资源占用是矛盾的，是鱼和熊掌的关系。
Nios/NiosII系统中的外设也具有可配置性，用户可以根据需求自主的选择要哪些外设，不要哪些外设，还可以自己建立外设加到系统中。相信很多人都遇到过这样的问题：对各家的芯片挑来选去也很难决定用哪个，因为没有一个完全符合要求，不是缺这个，就是少那个。也没办法，因为没有一个芯片是专门给你定做的。对于Nios/NiosII系统，完全没这个苦恼，因为系统当中有什么、没有什么是自己说了算，当然，如果不会设计相关的外设，又找不到现成的IP核来用则是另外一回事。
以上对Nios以及NiosII做了个简要的介绍，要想详细的了解还要自己动手实践。