1 引言

　　在Altera的Nios嵌入式处理器中。用户可以在Nios指令系统中增加用户自定制指令来满足某种特定的应用需求。自定制指令可以访问存储器或Nios系统外的逻辑资源。增强系统的实时处理能力，特别适用于DSP、数据包处理及对计算密集型软件进行优化。

　　Altera高性能快速傅立叶变换（FFT）处理器IP核FFT V2.2.0为实现高速FFT算法提供了成功的解决方案，将FFT算法定制为Nios嵌入式处理器的用户指令，用已实现的高性能FFT算法作为Nios嵌入式系统的一个加速模块，使系统可以完成复杂的数据处理任务。

　　2 Nios自定制指令的软硬件接口

　　使用用户自定制指令，用户能够向Nios的ALU和指令系统增加用户自定制功能，完整的用户自定制指令包括用户自定制逻辑和软件宏两部分。

　　用户自定制逻辑是完成用户操作的硬件部分，Nios最多支持5个用户自定制逻辑作为ALU的一部分。软件宏提供软件接口，Nios将创建相应C/C++和汇编的宏代码，使得用户能够访问用户自定制逻辑。Nios自定制指令支持多种设计文件，主要有Verilog HDL、VHDL、EDIF netlist file、Quartus II Block Design File等。由于用户自定制指令逻辑需要直接连到ALU上．所以Nios提供一套预先定义好名称和功能的接口，如图1所示。Nios配置向导会扫描用户自定义逻辑，搜索需要的端口。并把这些端口连到ALU上，这就要求用户自定制逻辑必须指定所需的端口类型，使用预先定义的端口名称。保证自定制逻辑端口能正确地连到ALU。

　　当然，Nios也允许用户自定制指令与Nios系统外部的功能模块进行信息交流。如果配置向导没能识别用户逻辑模块的某个端口。它将该端口引出到系统模块的顶层．使得外部逻辑可以访问这些信号，这些端口用export标记。当用户自定制逻辑被集成到Nios处理器的ALU后．可以通过软件访问用户自定制逻辑，Nios系统中包括5个用户操作码，如表1所示，用户可以通过用C/C++或汇编写的宏来调用这些操作码，通过它们来访问用户自定制逻辑。

　　表1 用户操作码、类型和操作

　　写C/C++代码时，Nios寄存器的使用是透明的，编译器会自动选择寄存器，而在汇编中则必须指定寄存器。在增加了用户自定制指令后，Nios配置向导会自动创建相应的宏，支持对宏进行手工命名，以提高软件代码的可读性。

　　在C/C++中通过一个函数调用来访问用户自定义指令。SOPC Builder自动生成的Nios系统头文件（excalibur.h）里包含了C/C++的宏定义，有两种不同的C/C++宏可供使用，其中前一个使用了prefix端口，后一个没有使用prefix端口。

　　nm__PFX（PREFIX，DATA，DATAB）< P>

　　nm_（DATA，DATAB）< P>

　　3 FFT算法实现

　　FFT算法由Altera的FFT IP核FFT V2.2.0实现，FFT V2.2.0是一个高性能、参数化快速傅立叶变换（FFT）处理器IP核，对Altera StratixII、Stratix GX、Stratix以及Cyclone系列器件进行了设计优化．可以完成变换长度为2m（6≤m≤14）的基-2/4按频率抽取（DIF）的复数FFT算法，IP核使用模块浮点结构可在

　　数据处理过程中保持最大数据动态范围，以获得最大信噪比SNR与最少逻辑需求之间的平衡。

　　此处FFT V2.2.0相关参数设置为：变换长度（Transform Length）选择1024点，数据精度选择16位，旋转因子精度选择16位，I/O数据流选择Streaming形式，复数乘法器结构（Structure）由3个乘法器、5个加法器完成。

　　图2给出了FFT算法模块的外部端口，I/O接口协议采用Atlantic接口，输入接口为主设备汇端（Master Sink），输出接口为主设备源端（Master Source），Atlantic接口相关内容可查阅文献3，图3为FFT在Modelsim环境下的仿真结果。