Nios II

Nios IIはアルテラのFPGAファミリーのために設計せっけいされた32ビットの組くみ込こみ用途ようとのプロセッサアーキテクチャである。Nios IIは、DSPからシステム制御せいぎょまでの幅広はばひろい組くみ込こみコンピュータ用途ようとにより適てきすように、元もとのNiosアーキテクチャを大おおきく拡張かくちょうしている。

Nios IIは、ザイリンクスのFPGA用ようのソフトコアCPUであるMicroBlazeと競合きょうごうしている。MicroBlazeとは異ことなり、Nios IIはサードパーティーの知的ちてき所有しょゆう権けんプロバイダであるシノプシスのDesignwareを通とおしてライセンスを得えられる。Designwareライセンスにより、設計せっけい者しゃはNiosをベースとした設計せっけいをFPGAプラットフォームから、大量たいりょう生産せいさんされるASICデバイスに移行いこうさせることができる。

主要しゅような機能きのう

元もとのNiosと同様どうように、Nios IIアーキテクチャは、アルテラのFPGAの構成こうせい可能かのうな論理ろんりブロックとメモリブロックで全面ぜんめん的てきに実装じっそうされたRISC ソフトコアである。Nios IIアーキテクチャのソフトコアの特徴とくちょうは、システムの設計せっけい者しゃが要求ようきゅうに応おうじたNios IIコアを指定していし生成せいせいし、特定とくていの用途ようとで求もとめられる仕様しように適合てきごうさせることができることである。システムの設計せっけい者しゃは、Nios IIの基本きほん的てきな機能きのうを拡張かくちょうすることができる。また、あらかじめ定義ていぎされたメモリ管理かんりユニットを追加ついかしたり、カスタム命令めいれいやカスタム周辺しゅうへん機器ききを定義ていぎすることもできる。

カスタム命令めいれい

Nios II本来ほんらいの命令めいれいと同おなじように、ユーザの定義ていぎした命令めいれいも2基きまでの32ビットの読よみ込こみ元もとレジスタから値ねを読よみ込こむことができる。オプションとして32ビットの書かき込こみ先さきレジスタに結果けっかを書かき戻もどすこともできる。カスタム命令めいれいを使つかうことにより、システムの設計せっけい者しゃは求もとめるパフォーマンスに合致がっちするようにシステムのハードウェアを細こまかく調整ちょうせいすることができ、設計せっけい者しゃは簡単かんたんに命令めいれいをC言語げんごまたはC++言語げんごによるマクロとして扱あつかうことができる。

カスタム周辺しゅうへん機器きき

ほとんどのCPUサイクルが特定とくていの部分ぶぶんのコードを実行じっこうしているようなパフォーマンスが致命ちめい的てきとなるシステムでは、ユーザの定義ていぎした周辺しゅうへん機器ききは、ソフトウェアによるアルゴリズムをユーザの定義ていぎしたハードウェアによるロジックに移うつし、消費しょうひ電力でんりょくとスループットを効率こうりつ化かさせられる可能かのう性せいがある。

メモリ管理かんりユニット

Quartus 8.0で導入どうにゅうされたMMUオプションにより、Nios IIでハードウェアによるページングとメモリの保護ほごを必要ひつようとするLinuxカーネルのようなオペレーティングシステムを実行じっこうさせるようにできる。MMUがない場合ばあい、Niosは単純たんじゅん化かされた保護ほごと仮想かそう記憶きおくモデルを使つかったオペレーティングシステム(例たとえばμみゅーClinuxベースのオペレーティングシステムやFreeRTOSしか実行じっこうさせることができない。

メモリ保護ほごユニット

Quartus 8.0で導入どうにゅうされたMPU（英語えいご版ばん）オプションにより、MMUによって提供ていきょうされる機能きのうと似にているが、より簡素かんそ化かされたモデルを持もち、MMUによるパフォーマンスが悪化あっかしない、メモリ保護ほごが提供ていきょうされる。

Nios II CPUファミリ

Nios IIには3種しゅの異ことなった設定せっていがある。Nios II/f (高速こうそく)、Nios II/s (標準ひょうじゅん)、Nios II/e (エコノミー) である。

Nios II/f

Nios II/fコアはコアサイズが大おおきいが最大さいだいパフォーマンスを実現じつげんするように設計せっけいされている。 Nios II/fの機能きのうは、以下いかのようである。

分離ぶんりされた命令めいれい用ようとデータ用ようのキャッシュ (512Bから64KB)
オプションのMMUまたはMPU（英語えいご版ばん）
最大さいだい2GBまでの外部がいぶアドレス空間くうかん
オプションの命令めいれいとデータのための緊密きんみつに結合けつごうしたメモリ
最大さいだいのDMIPS/MHz値ちを達成たっせいするための6段階だんかいパイプライン
シングルサイクルで実行じっこうできるハードウェアによる乗算じょうざんとバレルシフタ
オプションのハードウェアによる除算じょざん
動的どうてきな分岐ぶんき予測よそく
最大さいだい256のカスタム命令めいれいと無制限むせいげんのハードウェアアクセラレータ
JTAGデバッグモジュール
オプションのハードウェアブレークポイント、データトリガー。リアルタイムトレースを含ふくんだJTAGデバッグモジュールの拡張かくちょう

Nios II/s

Nios II/sコアはパフォーマンスとコストのバランスを保たもつように設計せっけいされている。 Nios II/sの機能きのうは、以下いかのようである。

命令めいれいキャッシュ
最大さいだい2GBまでの外部がいぶアドレス空間くうかん
オプションの命令めいれいとデータのための緊密きんみつに結合けつごうしたメモリ
6段階だんかいパイプライン
静的せいてきな分岐ぶんき予測よそく
ハードウェアによる乗算じょうざん、除算じょざん、バレルシフタ
最大さいだい256のカスタム命令めいれい
JTAGデバッグモジュール
オプションのハードウェアブレークポイント、データトリガー。リアルタイムトレースを含ふくんだJTAGデバッグモジュールの拡張かくちょう

Nios II/e

Nios II/eコアはFPGAのロジックを可能かのうな限かぎり最小限さいしょうげん使用しようするように設計せっけいされている。これは、低ていコストなCyclone II FPGAを使用しようする場合ばあいに特とくに効率こうりつが良よくなる。Nios II/eの機能きのうは、以下いかのようである。

最大さいだい2GBまでの外部がいぶアドレス空間くうかん
JTAGデバッグモジュール
700より少すくない論理ろんり素子そし数かず
オプションのデバッグ用ようの拡張かくちょう
最大さいだい256のカスタム命令めいれい

Avalon スイッチ・ファブリック・インターフェース

Nios IIはAvalonスイッチ・ファブリックを組くみ込こまれた周辺しゅうへん機器ききとのインターフェースとして使用しようしている。唯一ゆいいつのバスマスターが一度いちどバスにアクセスするプロセッサベースシステムにおける従来じゅうらい型がたのバスに比くらべ、Avalonスイッチ・ファブリックは、スレーブ側がわの調停ちょうていスキームを使用しようし、複数ふくすうのマスターが同時どうじに操作そうさできるようにしている。

開発かいはつプロセス

Nios IIの開発かいはつは、2つの別々べつべつの段階だんかいからなっている。ハードウェアの生成せいせいとソフトウェアの作成さくせいである。

アルテラのEmbedded Developer Suite (EDS)と呼よばれるアプリケーション内ないにホストされる。EDSは完全かんぜんな統合とうごう開発かいはつ環境かんきょうで、ハードウェアとソフトウェアの両方りょうほうを、2つの段階だんかいのいずれでも管理かんりすることができる。

ハードウェアの生成せいせいプロセス

Nios IIハードウェアは、SOPC (System-on-a-Programmable-Chip) Builderを使つかって設計せっけいされる。Quartus-IIパッケージのコンポーネントを使つかいNiosシステムの設定せっていと生成せいせいをする。設定せっていのためのグラフィカルユーザインタフェース (GUI) によりユーザはNios IIの機能きのうセットを選択せんたくすることができ、周辺しゅうへん機器ききとI/O ブロック (タイマやメモリコントローラ、シリアルインターフェースなど) を組くみ込こむことができる。ハードウェアの使用しようを決きめ終おえると、Quartus-IIは合成ごうせい、ターゲットのFPGAシステム全体ぜんたいの配置はいちと接続せつぞくの実装じっそうをする。Quartus-II Web Edition 3.0 パッケージに統合とうごうされている SOPC Builder 3.0は、32ビットのNios IIがまだNiosと呼よばれている頃ころに存在そんざいした^[1]。

ソフトウェア作成さくせいプロセス

Embedded Design Suiteと呼よばれるソフトウェアパッケージが、ソフトウェアの開発かいはつを管理かんりする。Eclipse IDEをベースとしており、EDSはC/C++コンパイラ (GNUツールチェーンをベースとしている)、デバッガ、命令めいれいセットシミュレータかを含ふくまれている。EDSでは、プログラマはアプリケーションをシミュレーションでテストすることができるし、実際じっさいのFPGAホストにコンパイル済ずみのアプリケーションをダウンロードして実行じっこうすることもできる。

C/C++開発かいはつ環境かんきょうがGCCをベースにしているため、非常ひじょうに多数たすうのLinux用ようのオープンソースソフトウェアを、最低限さいていげんの修正しゅうせいをするか、修正しゅうせいすることなしにコンパイルすることができる。サードパーティーのオペレーティングシステムもNios IIへ移植いしょくされている。これらにはRTOSであるMicrium uC-OS II、eCos、μみゅーClinuxベースのオペレーティングシステム、FreeRTOSがある。

現在げんざい提供ていきょうされていない元もとのNios（英語えいご版ばん）はアルテラの最初さいしょのFPGA製品せいひん向むけの構成こうせい可能かのう型がた16ビット組くみ込こみプロセッサであった。新規しんきの設計せっけい者しゃに対たいして、アルテラは32ビットのNios IIを推奨すいしょうしている。