NiosII系列软核处理器是Altera的第二代FPGA嵌入式处理器。Nios II在Stratix II系列高性能FPGA中的性能超过200DMIP,能够满足各种嵌入式应用的性能要求。Nios II系列包括三种产品(如表1所列)——快速、标准和经济。每种产品都为特定的价格和性能范围进行了优化,所有这三种核都使用同样的指令集,具有100%二进制代码兼容性。Nios II处理器能通过QuartusII开发软件中的SOPC Builder系统开发工具添加到设计者的系统中。

表1  NiosII系列产品的主要特征

1  成功的基石

　　自2000年第一代16位Nios处理器面市以来,已经交付了13 000多套Nios开发套件,成为FPGA软核处理器的标准。Nios处理器被EDN杂志评为“2003年100个热点产品”之一,入选CMP年度Embedded Market Study中设计者考虑使用的前十位16位处理器。Nios处理器已经从探鱼器发展到先进的通信子系统等多种应用上,并多次验证了它的能力。

　　32位Nios II嵌入式处理器具有更高的性能、一流的软件开发工具和更高的灵活性,而占用更少的FPGA器件资源。Altera的下一代软核处理器方案允许客户使用Nios技术,并保持现有的C语言应用程序代码。Nios II开发套件所具备的工具为C设计提供了从Nios至Nios II处理器的一键式移植方式。

　　Nios II系列处理器可用在Altera的Stratix和Cyclone系列PGA中。当用于低成本Cyclone FPGA中时,设计者将为各种大批量应用提供业界最合算的处理器之一。对于高性能应用,Nios II处理器经优化后能充分利用Stratix和Stratix II系列中的DSP块、片内存储器和其它特性。面向Stratix和Stratix II器件系列的Nios处理器设计,能够移植到Altera的HardCopy结构化ASIC,从而降低大批量应用成本。

2  终极多功能

　　Altera的Nios II系列软核处理器,让开发者从不受限的系统配置组合中选用最符合嵌入式需求的方案。使用Nios II处理器的开发者能够从60多个外设中进行选择,获得最佳的处理器、外设和接口组合,而不必支付根本不使用的硅片功能。采用Nios II软核处理器方案,客户能够选择核的大小和性能,根据成本和性能需求选择FPGA,实现多个处理器核,加速硬件指令。

3  加速软件算法

　　为了提升系统性能,Nios II处理器支持256个具有固定或可变时钟周期操作的专用指令,设计者能用这些指令来加速时间要求严格的代码段。这些专用指令(见图1)允许设计者在硬件中实现大计算量的算法,在软件中,可以像C语言子程序一样“调用”它们。相比之下,最初的Nios处理器只支持5条专用指令,每条每次执行必须有确定的时钟周期数。虽然一些面向ASIC的处理器核提供了专用的指令和/或硬件加速器,但是都无法像Altera的FPGA中Nios II处理器那样,快速地提供可运行、可交付使用的硅片功能。

图1  在Nios II CPU中专用指令实现结构框图

4  丰富的开发工具支持

　　Nios II集成开发环境(IDE)支持Nios II处理器,并为软件工程师提供一整套健全的开发工具。Nios II IDE是基于源码公开的Eclipse Project,也被EDN选为2003年100个热点产品,支持插件功能增强,如OS集成、性能分析工具和一整套先进的嵌入式设计者需要的开发工具(项目管理、编辑器、编译器、JTAG调试器、Flash编程器）。

5  实时操作系统支持

　　Nios II开发套件包括两个第三方实时操作系统(RTOS)和供网络应用使用的TCP/IP协议栈II。

(1)  MicroC/OS-II (Micrium)

　　这是一个完整、轻巧、可固化的抢占式实时内核,包括完整的源代码、参考手册和免费的开发者许可。MicroC/OS-II已经FAA认证,可用于高安全性的航空设备。

(2)  Nucleus Plus (ATI / Mentor)

　　Nios II处理器发售时,附带评估版的Accelerated Technology源码和无专利费的Nucleus Plus RTOS核。这个评估软件让Nios II用户建立基于Nucleus的应用,并可在开发板上运行(有限时间内)。全版的开发者许可从ATI/Mentor Graphics授权,http://www.mentor.com/nucleus/

(3)  Lightweight IP TCP/IP Stack

　　Nios II开发套件附代一个源码开放的TCP/IP协议栈,它随MicroC/OS-II应用使用。该软件提供了带文档、参考设计和Altera支持的源代码。

　　开发者能够在Nios II IDE中使用以上两个RTOS产品建立基于RTOS的应用。源码开放的软件,包括uCLinux操作系统也能够从网络上下载。