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自 Altera 于 2000 年推出第一代 16 位 Nios 处理器以来,已经交付了 13000 多套 Nios 开发套件, Nios 成为最流行的软核处理器。 Nios II 系列采用全新的架构,比第一代 Nios 具有更高水平的效率和性能。和第一代相比, Nios II 核平均占用不到 50% 的 FPGA 资源,而计算性能增长了 1 倍。
Nios II 系列包括 3 种产品,分别是: Nios II/f (快速)——最高的系统性能,中等 FPGA 使用量; Nios II/s (标准)——高性能,低 FPGA 使用量; Nios II/e( 经济 ) ——低性能,最低的 FPGA 使用量。这 3 种产品具有 32 位处理器的基本结构单元—— 32 位指令大小, 32 位数据和地址路径, 32 位通用寄存器和 32 个外部中断源;使用同样的指令集架构( ISA ), 100% 二进制代码兼容,设计者可以根据系统需求的变化更改 CPU ,选择满足性能和成本的最佳方案,而不会影响已有的软件投入。
特别是, Nios II 系列支持使用专用指令。专用指令是用户增加的硬件模块,它增加了算术逻辑单元( ALU )。用户能为系统中使用的每个 Nios II 处理器创建多达 256 个专用指令,这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能目标。专用指令逻辑和本身 Nios II 指令相同,能够从多达两个源寄存器取值,可选择将结果写回目标寄存器。同时, Nios II 系列支持 60 多个外设选项,开发者能够选择合适的外设,获得最合适的处理器、外设和接口组合,而不必支付根本不使用的硅片功能。
Nios II 系列能够满足任何应用 32 位嵌入式微处理器的需要,客户可以将第一代 Nios 处理器设计移植到某种 Nios II 处理器上, Altera 将长期支持现有 FPGA 系列上的第一代 Nios 处理器。另外, Altera 提供了一键式移植选项,可以升级至 Nios II 系列。 Nios II 处理器也能够在 HardCopy 器件中实现, Altera 还为基于 Nios II 处理器的系统提供 ASIC 的移植方式。
Nios II 处理器具有完善的软件开发套件,包括编译器、集成开发环境( IDE )、 JTAG 调试器、实时操作系统( RTOS )和 TCP/IP 协议栈。设计者能够用 Altera Quartus II 开发软件中的 SOPC Builder 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统,并能够根据系统的需求添加 Nios II 处理器核的数量。
使用 Nios II 软件开发工具能够为 Nios II 系统构建软件,即一键式自动生成适用于系统硬件的专用 C/C++ 运行环境。 Nios II 集成开发环境( IDE )提供了许多软件模板,简化了项目设置。此外, Nios II 开发套件包括两个第三方实时操作系统( RTOS )—— MicroC/OS-II(Micrium) , Nucleus Plus(ATI/Mentor) 以及供网络应用使用的 TCP/IP 协议栈。
长期以来, Altera 一直推行嵌入式处理器战略的原因是,随着应用的 ASIC 开发日益受到成本的困扰, OEM 日渐转向 FPGA 来构建自己的系统。这些系统中绝大多数需要一个处理器,而 Altera 正是为设计者提供了为 FPGA 优化的灵活的嵌入式处理器方案,可以满足 16 位和 32 位嵌入式处理器市场的需求。估计到 2007 年,该市场价值将到达 110 亿美元。
在 FPGA 中使用软核处理器比硬核的优势在于,硬核实现没有灵活性,通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进,基于标准处理器的方案会被淘汰,而基于 Nios II 处理器的方案是基于 HDL 源码构建的,能够修改以满足新的系统需求,避免了被淘汰的命运。将处理器实现为 HDL 的 IP 核,开发者能够完全定制 CPU 和外设,获得恰好满足需求的处理器。
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