多处理器系统中Nios II软核处理器启动方案的设计
摘 要：首先分析研究Nios II软核处理器系统的启动过程，然后在多处理器系统中设计一Nios II 的启动方案，此方案通过外部CPU控制Nios II处理器系统的启动。
关键词：Nios II；系统启动；多处理器系统；SOPC
引言
Nios II 处理器是Altera公司设计的一款基于FPGA的32位RISC嵌入式软核处理器，具有32位指令集、数据通路及地址空间，是其可编程系统芯片（SOPC）的核心。Nios II系统采用Altera公司设计的一套Avalon总线交换结构，Avalon总线上的所有信号都与系统时钟同步且地址、数据和控制信号使用独立的端口；支持各种传输方式；采用从端口仲裁机制，对于有多个主设备的系统可以提高系统的吞吐量。
采用基于FPGA 的Nios II软核处理器很容易在嵌入式系统设计中实现多处理器系统。在这样的多处理器系统中，一般外部处理器做主处理器，Nios II处理器为从处理器，两个处理器有共用的存储器可以进行数据交互。本文将通过对Nios II系统启动的研究设计一方案，用外部处理器配置FPGA,加载程序代码到Nios II系统中的程序存储器中，最终完成Nios II系统的启动。
在多处理器系统的启动方案
在多处理器系统中，为了降低成本，可以省去Nios II的一个非易失性存储器外设，如flash、EPROM等，Nios II处理器通过Avalon交换结构连接易失性存储器，一个外部主处理器及一些必要的接口外设。因此延迟Nios II的启动是必要的，解决办法是在Nios II系统中设计一启动延迟模块，把此模块的基址设为Nios II的复位地址。通过此模块，Nios II处理器上电复位后启动被延迟，直到数据被传输完毕，外部处理器通过启动延迟模块向Nios II发送一个可以开始进入程序存储器的指令，然后跳转到程序存储器开始执行，完成后续的设备初始化及应用程序的执行。
外部处理器通过时序转接桥连接在Avalon交换结构上和Nios II处理器共同构成的一个双处理器系统如图1所示。黑色箭头表示Nios II启动延迟模块是通过Avalon交换结构连接的。
图1 多处理器系统的启动方案结构
启动方案的硬件设计
启动延迟模块如图2所示，它有两个从端口S1、S2：S1一端连接在启动延迟模块中的ROM单元上，另一端通过Avalon总线连接在Nios II处理器的指令主端口；S2一端连接在启动延迟模块的控制寄存器上，另一端通过Avalon总线连接在外部处理器和Nios II处理器的数据主端口。图2中箭头的方向表示数据的流向。
图2 Nios II启动模块的硬件结构
在此需做两点说明：
* 在启动延迟模块中有两个寄存器，这两个寄存器定义如下：
表1 寄存器定义
寄存器名
字节偏移量
读写状态
长度
说明
控制寄存器1
0
可读可写
32位
用于存放Nios II程序存储器中_start程序的入口地址
控制寄存器2
4
可读可写
32位
跳转标志位（31_1位保留）
这两个寄存器值由外部处理器来写入，其中偏移量为0的寄存器存放Nios II程序存储器中_start程序的入口地址，此值由外部处理器写入；偏移量为1的寄存器只用了第0位，其它位保留，当外部处理器配置好Nios II处理器系统后，会向此寄存器的第0位写入1，否则保持为0。
* ROM中的数据是外部处理器在配置FPGA的时候写入的，因此只要FPGA配置完成后，启动代码就存放进ROM中了。ROM的大小要根据启动程序代码的大小来决定，设计中应尽可能降低这段程序的代码存储量。
下边是用Verilog 硬件描述语言编写的启动延迟模块的硬件代码的主体框架结构：
／／ＲＯＭ读端口（Ｓ１）：
boot_rom the_boot_rom
(
.clock (s1_clk), //s1_clk为来自Avalon总线模块上的S1端口的时钟信号
.aclr (s1_reset), //s1_reset为来自Avalon总线模块上的S1端口的复位信号
.q (s1_readdata), //s1_readdata为流向Avalon总线模块的S1端口的32位数据
.address (s1_address) //s1_address为来自于Avalon总线模块的S1端口的地址
);
//控制寄存器读写端口（S2）：
control_register the control_register
(
.clk (s2_clk), //s2_clk为来自Avalon总线模块上的S2端口的时钟信号
.reset (s2_reset), //s2_reset为来自Avalon总线模块上的S2端口的复位信号
.read (s2_read), //s2_read为来自Avalon总线模块上的S2端口的读使能信号
.write (s2_write), //s2_write为来自Avalon总线模块上的S2端口的写使能信号
.schipselect (s2_chipselect), //s2_chipselect为来自Avalon总线模块上的S2端口的片选信号
.address (s2_address), //s2_address为来自Avalon总线模块上的S2端口的地址
.readdata (s_readdata), //s2_chipselect为流向Avalon总线模块上的S2端口的32位读数据
.writedata (s2_writedata) //s2_writedata为来自Avalon总线模块上的S2端口的32位写数据
);
启动方案的软件设计
启动方案的软件设计目标是当系统复位后，在外部处理器向Nios II程序存储器和数据存储器传输数据的过程中，Nios II处理器运行要受到外部处理器的控制。当一切就绪后，外部处理器发出一条释放Nios II处理器的命令，接下来Nios II处理器就可以正常运行了。
软件部分主要就是存放在启动延迟模块中ROM的代码，此代码主要是检测启动延迟模块中控制寄存器2的第0位是否为1。若为1，则跳转到控制寄存器1中所存储的地址处执行。若设控制寄存器的基址为CONTROL_REG_BASE，为了减少代码量，这段代码容易用Nios II的汇编指令来实现，代码部分在此从略。
最后本方案在我们自己设计的一块开发板上经过测试，能够正确完成Nios II 处理器的启动。
结语
采用多处理器的系统虽然可以提高系统的性能，但传统的多处理器系统一般只出现在工作站及高端PC上，在嵌入式系统中由于其设计代价太高很少采用。本文设计了一种在多处理器系统中的Nios II软核处理器的启动方案，这个方案在外部处理器向Nios II的程序存储器和数据存储器加载数据时，可以控制Nios II处理器的启动。
参考文献：
1. Creating Multiprocessor Nios II Systems Tutorial.2005
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