雙Nios II軟核在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　引 言

　　SOPC(System On Programmable Chip)即可編程片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)，是美國Altera公司于2000年提出的。它將處理器、存儲器、I／O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，將其構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)；具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。由于SOPC系統(tǒng)具有靈活的設(shè)計方式、高效的開發(fā)手段、廉價的設(shè)計成本，可以實現(xiàn)過去不可能實現(xiàn)的更高的系統(tǒng)性能，因此它在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　NiosII嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠商Altera公司推出的軟核CPU，是一種面向用戶的，可以靈活定制的通用精簡指令集架構(gòu)(RISC)32位嵌入式CPU。NiosII以軟核的方式提供給用戶，并專門在Altera公司的FPGA上實現(xiàn)了優(yōu)化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實現(xiàn)。

　　本文將以VOD視頻點播系統(tǒng)為例，介紹采用NiosII構(gòu)建可編程片上系統(tǒng)SOPC的過程，以及雙CPU及其同步通信技術(shù)實現(xiàn)的視頻點播系統(tǒng)主機部分的設(shè)計思想和工作原理。

　　1 工程應(yīng)用

　　1.1 VOD相關(guān)內(nèi)容及雙CPU使用的必要性

　　視頻點播是一種交互式多媒體信息點播系統(tǒng)。其本質(zhì)是，信息使用者可根據(jù)自己的需求主動獲取多媒體信息，打破目前用戶收看節(jié)目的被動方式，使用戶從“播什么節(jié)目看什么節(jié)目”變成“想看什么節(jié)目就播什么節(jié)目”，從而按照自己的意愿通過網(wǎng)絡(luò)點播視頻服務(wù)器中的視頻節(jié)目。視頻點播以電視技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，它區(qū)別于信息發(fā)布的最大不同是用戶具有主動性與選擇性。

　　VOD系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：視頻點播服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和視頻點播終端。當點播終端發(fā)出點播請求時，點播服務(wù)器就會根據(jù)點播信息，將存放在節(jié)目庫中的影視信息檢索出來，并將視頻數(shù)據(jù)流通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到各個點播終端。點播終端接收到數(shù)據(jù)流后，將其解碼送到顯示器播放。

　　本設(shè)計采用一塊大容量硬盤作為VOD系統(tǒng)的點播數(shù)據(jù)源，將MPEG-1格式的影音文件按照FAT 32標準存放在硬盤上。由于視頻點播系統(tǒng)對硬盤訪問的速度要求非常高，采用操作系統(tǒng)已無法滿足要求，所以利用SOPC技術(shù)將Altera公司的第2代嵌入式處理器NioslI嵌入到FPGA中，并通過DMA控制器直接對硬盤進行最底層的操作，完成對影音文件的管理、檢索和數(shù)據(jù)讀取，充分發(fā)揮了FPGA的高速優(yōu)勢。本視頻點播服務(wù)器可以驅(qū)動多達64個完全獨立的視頻終端。

　　為實現(xiàn)64路終端實時播放影片，必須對視頻數(shù)據(jù)流的傳輸速率嚴格規(guī)定，由于所有終端播放的文件均為MPEG-1格式，此格式下影片連續(xù)播放所需的數(shù)據(jù)流速率為1.416 Mb／s。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)收發(fā)器AM7968／7969的傳輸率為80 Mb／s，因此只要邏輯電路設(shè)計得當且處理器定時發(fā)送數(shù)據(jù)，就可達到視頻不間斷播放的設(shè)計要求。但點播系統(tǒng)在滿足視頻數(shù)據(jù)定時發(fā)送的條件下還應(yīng)當實現(xiàn)讀取硬盤中存放MPEG-1數(shù)據(jù)的功能，對終端作出的點播信息作出及時響應(yīng)的功能，對USB中影音文件錄入的功能以及顯示屏的刷新與按鍵的處理功能。如果只采用一個處理器，則無法對每個環(huán)節(jié)作出及時響應(yīng)，無法保證數(shù)據(jù)的定時發(fā)送和硬盤數(shù)據(jù)的按時讀取，所以采取在Altera公司的高性能FPGA中嵌入雙NiosII軟核的方式達到系統(tǒng)設(shè)計目的。

　　1.2 系統(tǒng)原理框圖及架構(gòu)

　　點播服務(wù)器主要由主控制器部分和外圍接口電路兩大部分組成，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。主控制器單元主要由FPGA、存儲器電路、電源電路、時鐘、復(fù)位電路和配置芯片電路組成。外圍接口主要有：OLED顯示屏、動態(tài)掃描鍵盤、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、SD卡、USB控制器、IDE接口、CAN總線接口、光纖接口等。

　　其中數(shù)據(jù)緩沖區(qū)由2個容量各為32 MB的SDRAM組成，用于暫時存放DMA控制器從硬盤讀出的視頻數(shù)據(jù)；USB接口用于節(jié)目源的錄入；IDE接口用于與磁盤陣列連接；各終端的點播信息通過CAN總線送到點播服務(wù)器；視頻數(shù)據(jù)流通過4根光纖傳送到各個終端，每16個終端共用1根光纖，4根光纖可以驅(qū)動64個終端。

　　其中FPGA中，雙NiosII邏輯設(shè)計架構(gòu)實現(xiàn)如圖2所示。

　　NiosII Exectltion Core 1為主CPU，在這個處理器系統(tǒng)里面，DMA控制器負責將視頻數(shù)據(jù)從硬盤讀到緩沖區(qū)中；USB驅(qū)動器負責從其他移動存儲設(shè)備中錄入節(jié)目源到硬盤陣列；CAN BUS驅(qū)動器負責接收終端的點播信息；Tristate Bridge用來連接外部程序存儲器SDRAM和Flash；OLED驅(qū)動器用來控制OLED顯示屏；Uart核為RS232接口。

　　Nios II Execution Core 2為從CPU，專門用于向終端傳輸視頻數(shù)據(jù)流。最為關(guān)鍵的部分為Transmit BUSDriver，它負責將DMA控制器寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出來，并送給光纖發(fā)送模塊向終端發(fā)送。

　　此外，還必須有一個握手模塊(handshake module)，負責2個CPU之間的信息傳遞，使2個CPU協(xié)調(diào)工作。

　　1.3 相關(guān)設(shè)置及添加過程

　　(1)NiosII CPU定制

　　根據(jù)不同設(shè)計的要求，有3種不同的內(nèi)核類型可供選擇——快速型、經(jīng)濟型和標準型。快速型內(nèi)核具有最高的處理性能，經(jīng)濟型內(nèi)核具有最低的資源占用，而標準型在性能和資源之間作了個平衡。本設(shè)計中，CPU1需要實現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)讀取、顯示屏控制、總線請求、鍵盤處理等各種功能，因此選用標準型內(nèi)核；而CPU2只要定時讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送至輸出模塊，功能單一，因此選取快速型內(nèi)核便可勝任。

　　(2)NiosII外圍設(shè)備定制

　　Altera公司推出SOPC設(shè)計技術(shù)的同時也為用戶提供了一些可以選用的存儲、接口和功能模塊的IP核。這些核可以直接添加到用戶的設(shè)計中。啟動SOPC Builder后，在GUI界面中左邊是可供用戶選擇的模塊資源池，包括處理器和各種外設(shè)(其中有自己開發(fā)的模塊)，也包括第3方開發(fā)的模塊。用戶模塊也可以放入資源池，用戶邏輯在第一次定義后，就可以將其放人模塊資源池，以后使用時當成普通模塊一樣使用。

　　(3)自定義控制組件設(shè)計

　　Altera公司提供了使用第3方核的簡單接口。只要符合這些接口規(guī)范，就可以使用各種IP核進行SOPC設(shè)計。

　　由于Altera公司并未直接提供硬盤、CAN控制器、USB及2個CPU握手模塊等接口，因此必須自己設(shè)計接口連接各種器件和處理器。這些接口既要符合Avalon總線規(guī)范，又要滿足各種器件的工作時序。圖3為點播服務(wù)器系統(tǒng)在SOPC Builder工作窗口中的截取圖。