Nios II开发的基本思想是在FPGA已经开发的逻辑处理模块单元外再嵌入一个Nios II自动生成的处理器模块单元。生成一个可选择配置的Nios II 处理器软核需要利用Quartus II集成的SoPC Builder工具。在本文的仿真中，为了实现较小的资源配置，选择NIOS II/e经济类型处理器核。Nios II处理器中必须包括的内容有Nios CPU Core，这是嵌入式处理器的最基本软核。它与一个在线调试串口（JTAG_UART）就构成了Nios II中最小的处理器。其他可选择添加的内容有on_chip_memory（片上存储器）、UART（串口）、输入输出口、Timer（定时器）、SDRAM、FLASH和Avalon三态总线桥。经过软件自动生成的处理器可以像其他逻辑模块一样直接在HDL程序中调用或者在原理图中连线。Nios II处理器支持C及C++语言，可在Nios IDE软件中进行编译及调试。调试通过后，利用Quartus II综合系统就可在硬件上下载调试。本文建立的Nios II经济型处理器结构如图2所示。

1.3 NIOS II/e经济类型占用资源分析
    经过仿真可以得到Nios II经济型嵌入式处理器所占用的逻辑单元(LEs)和存储单元（memory）的数量，如表1所示。

    由表1可知，使用Nios II实现最小功能的软核处理器（仅包含处理器核以及一个在线调试JTAG）需要大约2000LEs，这对于很多LEs资源不多的FPGA来说是一个很大的消耗。在并行存在大规模逻辑处理单元的情况下，在某些FPGA中利用Nios II实现嵌入式微处理器软核成为一件困难的事情。而且Nios II处理器仅支持Stratix、Stratix GX、Stratix II和Cyclone系列以及以后推出的FPGA系列，不能应用于其他系列FPGA。
    下面讨论一种在LEs资源不丰富的Altera系列FPGA上集成最小配置的嵌入式处理器的方法。此方法使用最小配置的Mico8软核作为嵌入式软核。在功能足够的情况下，所占用的资源远小于Nios II，对于LEs资源不丰富或者不支持Nios II的Altera系列FPGA是一种理想选择。
2 Mico8简介及建立流程
    Lattice Mico8^TM是一个8位软微处理核，它是一种非常灵活的单片机内核，目前有4种配置情况。每种配置方式所支持的指令略有不同，不同配置的Mico8所具备的设计资源，包括内部的寄存器、存储器是不一样的，所需要的FPGA实现的逻辑大小也不一样。设计者在使用时可以根据实际的设计需要选择配置模式。
    本文首先在Lattice的MACHXO系列FPGA平台上建立Mico8处理器，然后移植到Altera系列FPGA上。
    在MACHXO上建立Mico8的流程如图3所示。

    Mico8只支持汇编代码，因此，在编写处理器代码时只能使用特定的汇编程序。Mico8的指令集包括位操作、算术操作、比较操作等通用的汇编指令和一些伪指令。其格式与通用汇编指令有一些差别[1]。建立一个完整的Mico8处理器内核需要使用的基本软件工具有ispLEVER（用于完成LatticeMico8系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件测试)、isp8asm_asm.exe(用于编译初始化prom的汇编指令）以及isp8asm_asm.exe（用于对汇编指令进行仿真）。Mico8的另一优点是对于编译和仿真工具具有完全开放的C源代码" title="源代码">源代码可供参考，可以根据用户需要修改源代码。isp8asm_win.exe 编译汇编语言程序生成初始化EBR的hex文件命令格式为：isp8asm_win.exe-vx-o?鄢.hex?鄢.s。isp8sim_win.exe的作用是对编译成功的汇编程序进行仿真，命令格式为：isp8sim_win.exe-t mico8_demo.hex，可以对二进制或十六进制代码进行跟踪及反汇编。汇编程序仿真成功以后，编译所生成的十六进制或二进制文件就可以作为初始化软核中的prom的代码，类似于要下载到单片机prom或者Flash中的十六进制或二进制文件。
    对软核的配置可以利用Mico8已经给定的4种配置形式^[2]，除此之外还可以对Mico8进行手动配置，配置内容包括内部RAM的宽度、PROM地址线宽度以及是否使用外部RAM等。不同的配置会改变Mico8的功能和消耗资源，对其运算速度不会产生影响，配置文件会对Mico8软核的相关部分进行修改。在本文中，使用最小配置，即16位RAM、9位PROM地址线宽度和不使用外部RAM。对于不同的Lattice器件，Mico8是不兼容的，要对软核的源代码或相关单元进行修改。例如本文中所使用的MACHXO系列，只能支持分布式RAM，这就要利用ispLEVER Project Navigator对Mico8软核的PROM进行修改，并在Mico8源代码中将相应的设制改为XO。
    利用ispLEVER Project Navigate建立新工程，在确定路径、编程语言、综合工具、器件后生成新项目并导入项目文件。导入文件时应该注意ispLEVER会自动将模块分层，需要保证导入文件之间模块的引用层次正确。如果HDL文件层次不对，将出现不止一个顶层，不能进行后续操作。同时在导入文件时需要区分普通文件和测试文件。测试文件只有在用modelsim进行仿真时才起作用，不能用于实际硬件中。生成适合MACHXO系列FPGA。
    可以利用ispLEVER嵌入的工具Ipexpress。在菜单中选择分布式ROM（Distributed ROM）并指定ROM的地址宽度、数据长度和初始化文件（对汇编编译生成的HEX文件），指定文件格式HEX 类型。将生成ROM的HDL文件prom.v重新引入工程即可编译成功。经过分配管脚，编译成功后即可生成可下载的JEDEC文件，这时顶层文件就是一个配置最小的Mico8核。
    生成的Mico8可以在Lattice的MACHXO器件上直接应用，但是本文举的例子要在Altera系列FPGA上进行应用，还需要对Mico8进行移植。
3 把Mico8软核移植到Altera器件
    Mico8软核与其他硬件具有很好的兼容性，其大多数单元可以在Altera器件上直接进行移植。移植过程包括两个步骤：在Quartus II的新工程中导入相关的Mico8内核文件和配置文件，在Altera器件基础上重新创建与Lattice器件不兼容的RAM以及ROM。
    其中，LatticeMico8的分布式ROM与Altera不兼容，需要利用Quartus II自带的mega-plug in manage重新建立单口ROM。LatticeMico8的SPRAM和SDRAM与Altera兼容，但比Altera自动生成的单元更耗费LEs，因此建议进行移植，重新生成Altera SPRAM和SDRAM操作。移植过程与上类似，不再赘述。在工程中需要引用新的存储模块。Altera定义DPRAM时序与Lattice中定义的DPRAM时序不同，会造成错误。因此采用Mico8中的DPRAM源文件虽然会浪费一定的逻辑单元，但指标可以达到要求。
    Altera中，初始化PROM文件采用Intel Hex文件格式，需要对Mico8的初始化PROM文件进行格式转换，或者在Quartus II的寄存器编译器中直接填写利用Quartus II自动转换为Intel Hex文件格式。Intel HEX由一条或多条记录组成，每行一个记录，每条记录以冒号“：”开始，以回车(0DH)和换行(0AH)结束。除“:”外，每条记录有五个域，每一域由2N(N>=1)个HEX字符组成，格式为：:[AA][BBBB][CC][DD….DD][EE]。其中，[AA]表示该记录的实际数据的长度；[BBBB]表示该记录所包含的数据在实际存储区中的起始地址；[CC]为该记录的类型；[DD….DD]为该记录的实际数据，由2N(N>=1)个HEX字符组成，该域的长度应当与[LL]域所指出长度一致；[EE]为该记录的数据校验和。文件格式转化可以用Matlab程序实现。
    完成上述移植过程后的Mico8软核可以在Altera系列FPGA上直接应用，应用时把Mico8软核直接作为单元模块导入系统工程中即可。在Altera中，Mico8软核的资源利用情况如表2所示。