nios自定义外设教程

自定义指令设计定义指令是基于NIOSII处理器SOPC系统的一个重要特征。

NIOSII处理器定制指令不仅扩展了CPU的指令集，还能提高对时间要求严格的软件运行速度，因此提高了系统的整体性能。

采用定制指令，用户可以实现传统处理器无法达到的最佳性能。

在对数据处理速度要求比较高的场合，把由标准指令序列实现的核心功能变成由一个用于定制的指令来实现，可以明显提高软件的执行效率。

给予硬件处理模块的定制指令可通过单个时钟周期或者多个时钟周期的硬件算法操作完成原本十分复杂的处理任务。

NIOSII处理器最多支持256条的定制指令，加速通常由软件实现的逻辑和复杂的数学运算。

具有定制指令的NiosII硬件结构如图1所示。

图1具有定制指令的NiosII硬件结构用户指令实质上就是让软核处理器完成由硬件逻辑实现的某种功能，这个硬件逻辑连接到NIOSII处理器的算术逻辑单元上。

对于NIOSII的标准指令，NIOSII使用ALU来完成相应的算术逻辑操作；对于自定义指令，则采用用户自己建立的硬件逻辑来完成运算。

用户指令分多种，有组合逻辑指令、多周期指令、扩展指令等等，学明白一个，也就举一反三了， Altera提供了用户模块HDL的模板，通过裁减就可以适应多种指令类型了。

模板存放的路径为：\altera\kits\nios2\examples\verilog\custom_instruction_templates用户指令逻辑模块结构如图2所示。

z图2 用户指令逻辑结构例子：// Verilog Custom Instruction Template File for Combinatorial Logicmodule ci_nand(dataa, // Operand A (always required)datab, // Operand B (optional)result // result (always required));//INPUTSinput [31:0] dataa;input [31:0] datab;//OUTPUTSoutput [31:0] result;// custom instruction logic (note: no external interfaces are allowed in combinatorial logic)assign result = ~(dataa&datab);endmodule#include "stdio.h"#include "system.h"#include "sys/alt_timestamp.h"#include "alt_types.h"int main(void){alt_u32 time1,time2;alt_u32 a,b,c;a = 0xff00ff00;b = 0xf0f0f0f0;if (alt_timestamp_start() < 0){ //开启时间标记服务printf("Can't Start Timestamp...\n");}time1 = alt_timestamp(); //测试时间点1c = ALT_CI_CI_NAND(a,b); //通过宏使用定制指令time2 = alt_timestamp(); //测试时间点2printf("The Instruction ci_nand runs %ld\n",time2-time1);printf("c = %x\n",c);time1 = alt_timestamp(); //测试时间点1c = ~(a&b); //通过NiosII指令实现与非功能time2 = alt_timestamp(); //测试时间点2printf("The ~(a&b) runs %ld\n",time2-time1);printf("c = %x\n",c);return 0;}在生成的system.h文件中，关于CRC自定义指令的宏如下：#define ALT_CI_CI_NAND_N 0x00000000#define ALT_CI_CI_NAND(A,B) __builtin_custom_inii(ALT_CI_CI_NAND_N,(A),(B))。

“ALT_“是宏定义的前缀，表示为Altera公司，CI是用户定制指令的意思。

CI_NAND是用户指令的逻辑模块名称，N表示指令操作码。

module mul16(clk, // CPU system clock (required for extended multi-cycle)reset, // CPU master asynchronous active high reset (required for extended multi-cycle)clk_en, // Clock-qualifier (required for extended multi-cycle)dataa, // Operand A (always required)datab, // Operand B (optional)result, // result (always required) );//INPUTSinput clk;input reset;input clk_en;input [31:0] dataa;input [31:0] datab;//OUTPUTSoutput [31:0] result;reg [31:0] result;always @(posedge clk or negedge reset)beginif (!reset)result <=0;elseresult<=dataa[15:0]*datab[15:0] ;endendmodule#include<stdio.h>#include<math.h>#include "system.h"int alt_main(){int a,b;int c;a=7;b=8;c=ALT_CI_MUL16(a,b);printf("result is %d\n",c);return (0);}自定义外设作为NIOSII软核处理器超强灵活性的体现，其开发遵循一定的步骤。

一般来说，一个定制元件主要由下列部分组成。

1、描述元件逻辑的硬件描述文件部分（主要是HDL程序）2、软件文件，一个用来定义元件寄存器的C语言头文件以及让程序员控制这个元件的软件驱动程序。

3、元件的描述文件（class.ptf），该文件定义了元件的架构，提供了SOPC Builder将该元件集成到一个系统的各种信息。

在文件由元件编辑器根据用户提供的硬件和软件文件以及在图形用户界面中设置的各个选项和参数自动生成。

图1给出了带Avalon从端口的元件组成框图图1带Avalon从端口的用户外设组成框图从图中可以看出，一个自定义外设必须进行硬件设计。

一个典型的用户外设主要由下列功能模块组成：（1）任务逻辑。

任务逻辑完成元件的基本功能，是必不可少的组成部分。

（2）寄存器文件。

寄存器文件部分提供了任务逻辑和外界交换信息的桥梁。

有了寄存器文件，用户就可以通过Avalon接口采用基地址+地址偏移量的方法来访问元件内部的各个寄存器。

（3）Avalon接口。

Avalon接口为寄存器文件提供了一个标准的Avalon前端。

该模块使用Avalon规定的信号来访问寄存器文件，并且支持任务逻辑的传输类型。

module avalon_pwm(clk, wr_data, byte_n, cs, wr_n, addr, clr_n, rd_data, pwm_out);input clk;input [31:0] wr_data;input [3:0] byte_n;input cs;input wr_n;input addr;input clr_n;output [31:0] rd_data;output [7:0] pwm_out;reg [7:0] div3, div2, div1, div0;reg [7:0] duty3, duty2, duty1, duty0;reg [31:0] counter;reg off;reg [31:0] rd_data;wire div_en3, div_en2, div_en1, div_en0, duty_en3, duty_en2, duty_en1, duty_en0;always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif (clr_n == 0)begindiv3 <= 8'h 00;div2 <= 8'h 00;div1 <= 8'h 00;div0 <= 8'h 00;duty3 <= 8'h 00;duty2 <= 8'h 00;duty1 <= 8'h 00;duty0 <= 8'h 00;endelsebeginif (div_en3)div3 <= wr_data[31:24];elsediv3 <= div3;if (div_en2)div2 <= wr_data[23:16];elsediv2 <= div2;if (div_en1)div1 <= wr_data[15:8];elsediv1 <= div1;if (div_en0)div0 <= wr_data[7:0];elsediv0 <= div0;if (duty_en3)duty3 <= wr_data[31:24];elseduty3 <= duty3;if (duty_en2)duty2 <= wr_data[23:16];elseduty2 <= duty2;if (duty_en1)duty1 <= wr_data[15:8];elseduty1 <= duty1;if (duty_en0)duty0 <= wr_data[7:0];elseduty0 <= duty0;endendalways @(posedge clk or negedge clr_n)beginif (clr_n == 0)counter <= 0;elseif (counter >= {div3, div2, div1, div0})counter <= 0;elsecounter <= counter + 1;endalways @(posedge clk or negedge clr_n)beginif (clr_n == 0)off <= 0;elseif (counter >= {duty3, duty2, duty1, duty0}) off <= 1;elseif (counter == 0)off <= 0;elseoff <= off;endalways @(addr or div3 or div2 or div1 or div0 or duty3 or duty2 or duty1 or duty0) if (addr == 0)rd_data = {div3, div2, div1, div0};elserd_data = {duty3, duty2, duty1, duty0};assign div_en3 = cs & !wr_n & !addr & !byte_n[3];assign div_en2 = cs & !wr_n & !addr & !byte_n[2];assign div_en1 = cs & !wr_n & !addr & !byte_n[1];assign div_en0 = cs & !wr_n & !addr & !byte_n[0];assign duty_en3 = cs & !wr_n & addr & !byte_n[3];assign duty_en2 = cs & !wr_n & addr & !byte_n[2];assign duty_en1 = cs & !wr_n & addr & !byte_n[1];assign duty_en0 = cs & !wr_n & addr & !byte_n[0];assign pwm_out[0] = ! off;assign pwm_out[1] = ! off;assign pwm_out[2] = ! off;assign pwm_out[3] = ! off;assign pwm_out[4] = ! off;assign pwm_out[5] = ! off;assign pwm_out[6] = ! off;assign pwm_out[7] = ! off;endmodule#ifndef __ALTERA_AVALON_PWM_REGS_H__#define __ALTERA_AVALON_PWM_REGS_H__#include <io.h>#define IORD_ALTERA_AVALON_PWM_DIVIDER(base) IORD(base, 0)#define IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DIVIDER(base, data) IOWR(base, 0, data)#define IORD_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(base) IORD(base, 1)#define IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(base, data) IOWR(base, 1, data)#endif /* __ALTERA_AVALON_PWM_REGS_H__ */#include <stdio.h>#include "altera_avalon_pwm.h"#include "system.h"int main(){int rx_char;char line[100];printf("Hello from Nios II!\n");printf("Nios II Training Lab\n");printf("March 18, 2003\n");printf("\nPlease enter an LED intensity between 1 to 4 (0 to exit)\n");IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DIVIDER(MY_PWM_BASE,0xFF);IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(MY_PWM_BASE,0xFF);while (1){fgets(line, sizeof(line),stdin);sscanf(line,"%d",&rx_char);switch (rx_char){case 4:IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(MY_PWM_BASE,0xFF);printf("Level 4 intensity\n");break;case 3:IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(MY_PWM_BASE,0x80);printf("Level 3 intensity\n");break;case 2:IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(MY_PWM_BASE,0x30);printf("Level 2 intensity\n");break;case 1:IOWR_ALTERA_AVALON_PWM_DUTY(MY_PWM_BASE,0x10);printf("Level 1 intensity\n");break;case 0:return 0;break;default:printf("Please enter an integer value from 0 to 4\n");break;}}return 0;}。