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C2H编译器与自定义指令实验说明

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C2H编译器与自定义指令实验说明

概述

本文档是关于Altera FPGA平台（DE2_70开发板，Cyclone II EP2C70芯片）上Nios II处理器的两个实验教程：

  1. C2H Compiler实验 - 使用硬件加速器加速C代码中的函数
  2. 自定义指令(Custom Instruction)实验 - 添加浮点运算自定义指令

实验一：C2H编译器加速

原理

C2H (C-to-Hardware) 编译器可以将C语言中的特定函数编译为硬件加速器，部署到FPGA中运行，从而大幅提高执行速度。

步骤概要

  1. 创建SOPC系统

    • 使用SOPC Builder添加：On-Chip Memory、Nios II/e处理器、PIO（宽度16，重命名为ledr）
    • 设置Reset Vector和Exception Vector为onchip_mem
    • Auto-Assign Base Addresses后Generate系统

  2. 创建Block Diagram

    • 添加SOPC系统、iCLK_50（input）、iKEY[0]（input）、oLEDR[15..0]（output）
    • 导入DE2_70引脚配置文件

  3. 编写C程序

    // LED流水灯 + delay()函数
while(1) {
    if(led & 0x8001) dir = (dir ^ 0x1);
    if(dir) led = led >> 1; else led = led << 1;
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LEDR_BASE, led);
    delay();
}

  4. 使用C2H加速

    • 右键delay()函数 → Accelerate with C2H Compiler
    • 勾选：
      • Use hardware accelerator in place of software implementation
      • Flush data cache before each call
    • 重新编译并下载运行，LED闪烁速度明显加快

实验二：自定义指令（浮点运算）

原理

Nios II支持自定义指令扩展，可以通过SOPC Builder添加Altera提供的浮点运算硬件模块（Floating Point Hardware），实现高效的浮点四则运算。

步骤概要

  1. SOPC配置

    • 在Nios II Processor的Custom Instruction选项卡中，添加Floating Point Hardware
    • 选中Using floating point division hardware

  2. 测试程序

    // 不使用自定义指令时（注释掉#pragma行）
#pragma no_custom_fmuls
#pragma no_custom_fadds
#pragma no_custom_fsubs
#pragma no_custom_fdivs
 
void delay(void) {
    float a=2008.620, b=123.45678, z=0;
    for(i=0; i<5000; i++) {
        z += a*146.134761f/b;
        a++;
    }
}

  3. 效果对比

    • 禁用自定义指令：LED闪烁慢（软件浮点运算）
    • 启用自定义指令（删除#pragma行）：LED闪烁明显加快（硬件浮点运算）

关键知识点

概念说明
SOPC BuilderAltera片上系统构建工具，用于配置Nios II处理器和外设
C2H Compiler将C函数编译为FPGA硬件加速器
Custom InstructionNios II处理器扩展指令集，可自定义硬件功能
On-Chip MemoryFPGA内部的RAM/ROM，用作处理器内存
Altera_avalon_pio_regs.hPIO外设寄存器头文件

应用关联

关系图谱

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