Nios嵌入式處理器，於2001年首次推出，創新的Nios® 嵌入式處理器成為業界第一款專門針對FPGA的商用處理器。自此以後，眾多的FPGA用戶採用了Altera提供的Nios和Nios II處理器。
基本介紹
- 中文名：NIOS嵌入式處理器
- 時間：2001年
- 性質：針對FPGA的商用處理器
- 提供商：Altera
基本信息,特性說明,
基本信息
Altera建議新設計採用Nios II處理器。
在二○世紀九十年度末，可程式邏輯器件（PLD）的複雜度已經能夠在單個可程式器件內實現整個系統。完整的單晶片系統（SOC）概念是指在一個晶片中實現用戶定義的系統，它通常暗指包括片記憶體儲器和外設的微處理器。最初宣稱真正的SOC――或可程式單晶片系統（SOPC）――能夠提供基於PLD的處理器。在2000年，Altera發布了Nios處理器，這是Altera Excalibur嵌入處理器計畫中第一個產品，它成為業界第一款為可程式邏輯最佳化的可配置處理器。本文闡述開發Nios處理器設計環境的過程和涉及的決策，以及它如何演化為一種SOPC工具。
Altera很清楚地意識到，如果我們把可程式邏輯的固有的優勢集成到嵌入處理器的開發流程中，我們就會擁有非常成功的產品。基於PLD的處理器恰恰具有套用所需的特性。一旦定義了處理器之後，設計者就“具備”了體系結構，可放心使用。因為PLD和嵌入處理器隨即就生效了，可以馬上開始設計軟體原型。CPU周邊的專用硬體邏輯可以慢慢地集成進去，在每個階段軟體都能夠進行測試，解決遇到的問題。另外，軟體組可以對結構方面提出一些建議，改善代碼效率和/或處理器性能，這些軟體/硬體權衡可以在硬體設計過程中間完成。
Nios II系列軟核處理器是Altera的第二代FPGA嵌入式處理器，其性能超過200DMIPS，在Altera FPGA中實現僅需35美分。Altera的Stratix 、Stratix GX、 Stratix II和 Cyclone系列FPGA全面支持Nios II處理器，以後推出的FPGA器件也將支持Nios II。
自Altera於2000年推出第一代16位Nios處理器以來，已經交付了13000多套Nios開發套件，Nios成為最流行的軟核處理器。剛推出的Nios II系列採用全新的架構，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資源，而計算性能增長了1倍。
Nios II系列能夠滿足任何套用32位嵌入式微處理器的需要，客戶可以將第一代Nios處理器設計移植到某種Nios II處理器上，Altera將長期支持現有FPGA系列上的第一代Nios處理器。另外，Altera提供了一鍵式移植選項，可以升級至Nios II系列。Nios II處理器也能夠在HardCopy器件中實現，Altera還為基於Nios II處理器的系統提供ASIC的移植方式。
Nios II處理器具有完善的軟體開發套件，包括編譯器、集成開發環境（IDE）、JTAG調試器、實時作業系統（RTOS）和TCP/IP協定棧。設計者能夠用Altera Quartus II開發軟體中的SOPC Builder系統開發工具很容易地創建專用的處理器系統，並能夠根據系統的需求添加Nios II處理器核的數量。
使用Nios II軟體開發工具能夠為Nios II系統構建軟體，即一鍵式自動生成適用於系統硬體的專用C/C++運行環境。Nios II集成開發環境（IDE）提供了許多軟體模板，簡化了項目設定。此外，Nios II開發套件包括兩個第三方實時作業系統（RTOS）——MicroC/OS-II(Micrium)，Nucleus Plus(ATI/Mentor)以及供網路套用使用的TCP/IP協定棧。
長期以來，Altera一直推行嵌入式處理器戰略的原因是，隨著套用的ASIC開發日益受到成本的困擾，OEM日漸轉向FPGA來構建自己的系統。這些系統中絕大多數需要一個處理器，而Altera正是為設計者提供了為FPGA最佳化的靈活的嵌入式處理器方案，可以滿足16位和32位嵌入式處理器市場的需求。估計到2007年，該市場價值將到達110億美元。
在FPGA中使用軟核處理器比硬核的優勢在於，硬核實現沒有靈活性，通常無法使用最新的技術。隨著系統日益先進，基於標準處理器的方案會被淘汰，而基於Nios II處理器的方案是基於HDL源碼構建的，能夠修改以滿足新的系統需求，避免了被淘汰的命運。將處理器實現為HDL的IP核，開發者能夠完全定製CPU和外設，獲得恰好滿足需求的處理器。
Nios II嵌入式處理器特性
嵌入式處理器Nios®II系列為Altera® FPGA和可程式片上系統(SOPC)的集成套用專門做了最佳化。表1詳細描述了Nios II軟核嵌入式處理器系列的特性，更多通用信息請參閱Nios II簡介頁面。
表1. Nios II嵌入處理器系列特性
特性說明
設計流程及工具
硬體開發工具 本頁面詳列了搭建Nios II處理器硬體系統所用到的開發工具。
開發套件 Altera及其合作夥伴提供了大量套用了NiosII系列嵌入式處理器的開發板套件。
系統級設計流程 Altera的SOPC Builder工具提供了快速搭建SOPC系統的能力，這種架構可以是包含一個或幾個CPU，提供存儲器接口，外圍設備和系統互連邏輯的複雜系統。
構架及特性
Nios II處理器核 Nios II處理器系列由三個不同的核心組成，可以靈活地控制成本和性能，從而擁有廣泛的套用空間。
JTAG調試模組 JTAG調試模組提供了通過遠端PC主機實現Nios II處理器的在晶片控制、調試和通訊功能，這是Nios II處理器的一個極具競爭力的特性。
用戶指令 開發人員可以在Nios II CPU 核內增加硬體，用以執行複雜運算任務，為時序要求緊張的軟體提供加速算法。
外圍設備及接口 Nios II開發套件包括一套標準外圍設備庫，在Altera的FPGA中可以免費使用。
Avalon™交換式匯流排 Avalon交換式匯流排在處理器、外圍設備和接口電路之間實現網路連線，並提供高頻寬數據路徑、多路和實時處理能力。Avalon交換式匯流排可以通過調用SOPC Builder設計軟體自動生成。
設計資源
Nios II處理器支持 Nios II處理器支持頁面提供了對Nios II 設計者有幫助的多種信息，其中包括使用許可、下載、參考設計、文檔資料、線上展示及常見問題。
嵌入式處理器方案中心 嵌入式處理器方案中心提供了大量的信息以幫助開發人員套用Altera的嵌入式處理器實現系統設計。可獲取的信息有器件支持、軟體開發工具，外圍設備及接口、培訓、技術支持和資料。
Nios續訂信息 Nios II開發套件包括一年期的CPU、外設和嵌入式軟體開發工具的升級許可。（其中不包括Quartus® II軟體的升級。）客戶可以通過Nios續訂程式每年訂購包括Nios II 處理器的升級等額外信息。
Nios II嵌入式處理器問與答頁面 此頁提供Altera Nios II系列嵌入式處理器的常見問題及解答。
Stratix® II器件及Nios II處理器系列 Stratix II器件結構的優異特性和Nios II嵌入式處理器系列相結合，提供了無與倫比的處理能力，滿足網路、通信、數據信號處理(DSP)套用、海量存儲及其他高頻寬系統的套用需求。
Stratix器件及Nios II處理器系列 Stratix FPGA結構的優異特性和Nios II嵌入式處理器相結合，提供了很高的處理能力，滿足高頻寬系統套用需求。
Cyclone™器件及Nios II處理器系列 在Cyclone器件中套用Nios II嵌入式處理器系列，降低了成本，提高了靈活性，在價格敏感套用環境中給低成本分立式微處理器提供了一個理想的替代品。
在HardCopy II結構化ASIC中實現Nios II處理器
Nios® II系列嵌入式處理器具有三個處理器核心，可實現較大範圍的嵌入式處理套用。這些軟IP處理器核心可以工作在任何最新一代Altera® FPGA以及HardCopy®系列結構化ASIC上。設計人員可以選擇使用高性能核心、低成本核心或者性價比合適的核心。Nios II系列處理器可實現如下任務：
做為系統處理器運行實時作業系統
實現複雜的狀態機
分擔現有處理器載荷
執行I/O和數據處理任務
加速數位訊號處理(DSP)算法
在HardCopy II結構化ASIC中運行時，Nios II嵌入式處理器出眾的處理能力滿足了高性能片上系統(SOC)的要求。Nios II嵌入式處理器能夠提供系統級處理器性能，實現處理器和系統功能以及邏輯在單個器件中的集成。HardCopy II結構化ASIC和Nios II嵌入式處理器結合使用能夠滿足計算、大容量存儲、電信和網路套用的要求。
圖1是單個HardCopy II結構化ASIC中多個Nios II處理器在數據處理和控制套用上的實例。
圖1. HardCopy II器件中Nios II處理器進行數據處理
HardCopy器件設計流程使設計人員可以在一個FPGA中測試、驗證其設計。然後將經過驗證的設計遞交給HardCopy設計中心，以沒有風險的無縫移植方式在結構化ASIC中實現。HardCopy結構化ASIC是唯一能夠實現在正式投產前，硬體功能在FPGA中驗證以及系統軟體在真實系統配置環境中進行設計、測試的器件。
由於設計在移交給Altera之前在FPGA中進行了測試，因此Altera從第一個原型開始就可以保證實現晶片的全部功能。
HardCopy II結構化ASIC體系結構
HardCopy II結構化ASIC基於Stratix II系列FPGA，在HardCopy II器件和Stratix II FPGA之間有多個原型選擇。這取決於所需的HardCopy器件、I/O引腳和封裝要求。HardCopy II器件具有高達350-MHz的性能，以Nios II處理器核心實現迄今為止最高的性能表現，而只消耗原型Stratix II器件的一半功率。
Stratix II器件結構中的嵌入式DSP模組也可以套用在HardCopy II器件中。這些DSP模組是對Nios II用戶指令集和其他硬體加速單元的完美補充。DSP設計人員可以在高性能硬體DSP模組中生成DSP算法和複雜的數學程式，做為常用軟體程式來訪問或者做為Nios II CPU的用戶指令來運行。設計人員可以方便靈活的實現高級軟體設計，支持結構化ASIC中的並行硬體操作性能，而不需要進行額外的時鐘加速。
HardCopy II器件的存儲器可滿足典型SOC的所有存儲要求。每個最大9 M-RAM模組可提供64-K位元組段。最大的HardCopy II器件含有576 K位元組源碼和數據存儲。HardCopy II結構化ASIC還支持高速存儲器接口，可使用最新的DDR2 SDRAM進行外部源碼和數據存儲。
低成本許可方式
Nios II系列嵌入式處理器以一次付清的方式進行許可，不需要對每個器件或每個工程支付額外的版稅。Nios II許可允許在任何Altera器件中使用處理器核心，因此採用Nios II處理器和HardCopy II器件可為批量產品提供最具成本效益的解決方案。
Nios II許可通常做為Nios II開發包的一部分進行購買。現在可套用於Stratix®、Stratix II 和 Cyclone™ 器件系列，開發包含有Quartus® II FPGA設計軟體和Nios II集成開發環境以及Nios II全部許可。所有的開發包都包括一塊開發板及所需的電纜、電源，用戶在打開包裝後的幾分鐘內就可以使用Nios II處理器進行開發設計。
全面的SOPC解決方案
Altera的SOPC Builder自動系統開發工具為設計人員提供了強大的開發平台，可構成包括處理器、外設和存儲器接口等常用系統組成的匯流排系統。
Nios II外設和接口庫頁面上有適用於Nios II處理器的外設的更多詳細信息
