Nios II プロセッサ・ファミリに関する Q&A

以下に、アルテラの Nios® II エンベデッド・プロセッサ・ファミリについて最もよく尋ねられる質問を示します。

一般的な質問

Nios II エンベデッド・プロセッサ・ファミリとは何ですか？

Nios II エンベデッド・プロセッサ・ファミリは、アルテラの第 2 世代ソフト・エンベデッド・プロセッサ・ソリューションです。 Nios II プロセッサ・コアは、共通の命令セット・アーキテクチャを共有する 32 ビット RISC プロセッサであり、アルテラの主流の FPGA ファミリのすべてに使用できるように最適化されています。詳しくは、Nios II プロセッサのページを確認してください。

Nios II プロセッサ・ファミリの具体的な利点は何ですか？

Nios II エンベデッド・プロセッサは、エンベデッド・デザインにおいて究極の多様性を提供します。設計者は、プロセッサ、ペリフェラル、インタフェース、およびメモリにおいて完璧に適合するソリューションを生み出すことができます。

Nios II/e CPU コアは、可能な最低限のロジック利用率に対して最適化されるように特別に設計されており、低コスト FPGA ファミリ（Cyclone® シリーズ FPGAなど）と組み合わせて、$1.00 を十分に下回る価格のプロセッサ・システムを提供します。Nios II プロセッサの低コストの利点を参照してください。

高性能要件が課せられた開発者は、Nios II/s または Nios II/f プロセッサ・コアで開発を行うことになります。Nios II/f コアは、200 MHzの性能を達成し、計算を多用するソフトウェア・タスクを Nios II カスタム命令やハードウェア・アクセラレータに肩代わりさせることによってさらに高速化を図ることができます。加えて、システム性能のボトルネックとなるＣ言語のサブルーチンを切り出し FPGA 内のハードウェア・アクセラレータに自動的に変換するための、Nios II C-to-Hardware（C2H）アクセラレーションコンパイラが提供されています。Nios II プロセッサの高性能の利点を参照してください。

さらに、Nios II プロセッサは、製品寿命を延長するのにも役立ちます。 SOPC Builder、Nios II 統合開発環境（IDE）、C2H コンパイラなどの生産性ツールと、プログラマブル FPGA ターゲット・デバイスを併用することにより、他のロジック・デザイン・フローよりも迅速に製品を市場に投入できます。設計者は、Nios II ソフト・プロセッサを使用することによって、ソフトウェアやハードウェアのフィールドでのアップグレードを都合よく展開できます。また、独自に構築されたNios II プロセッサ・システムのソフトウェア資産を自分で所有するため、設計した製品はコンポーネントの陳腐化を回避できます。プロセッサ開発の資産を所有し、かつシステム・ソフトウェアへの投資は保護されることになります。

Nios II プロセッサ・ファミリを構成するプロセッサ・コアの数は？

Nios II プロセッサは 3 種類のコアとして供給され、システム性能への要求とロジック・エレメント（LE）使用量とのバランスを図りながら、デザインに対する最高の柔軟性を開発者に提供します。これら3種類のコアは Nios II 開発キットに含まれており、SOPC Builder デザイン・ツールによってサポートされます。

Nios II プロセッサ・ファミリは、次の 3 種類のコアで構成されています。

Nios II/f「高速（fast）」 - 最高性能、実装のためのFPGA の使用量は中程度
Nios II/s「標準（standard）」 - 高性能、実装のためのFPGAの使用量は fast より少ない
Nios II/e 「（エコノミー（economy）」－中程度の性能、実装のためのFPGA の使用量は最も少ない

ハード・マクロの実装と比較して、FPGA 内でソフト・コア・プロセッサを使用する利点は何ですか？

HDL コード化された IP （Intellectual Property）コアとしてプロセッサを実装すると、開発者は、システム・ニーズに最も適した組み合わせのペリフェラル、性能、およびプロセッサを選択することができるので、完全に適合するソリューションを得ることができます。ハード・マクロの実装は本質的には ASIC であり、同じ柔軟性を備えていません。そのため、最新のプロセス・テクノロジから利益を受けるまでには時間がかかりすぎてしまいます。他方、ソフト・コア・プロセッサは、Stratix® シリーズまたは Cyclone シリーズ FPGAのような最新の FPGA に即座に移行することができます。また、標準マイクロプロセッサ・ベースのソリューションが陳腐化の問題に直面しやすいのに対して、Nios II ベースのソリューションは、ターゲットの変更が可能な HDL ベースのため、陳腐化の影響を受けにくくなっています。

Nios II アーキテクチャは、第 1 世代の Nios プロセッサとどのように異なりますか？

Nios II プロセッサが 32 ビット RISC インストラクション・セット・アーキテクチャ（ISA）を使用しているのに対し、Nios は 16 ビット ISA を使用しています。 Nios II プロセッサでは、計算性能が 4 倍に向上しながら FPGA リソースの使用量は減少しているので、Nios プロセッサ・コアを上回る新しいレベルの効率と性能に到達しています。Nios II プロセッサは、特定の価格帯（コアサイズ）と性能の制約に的を絞って、事前に最適化された一連のコアを提供することにより、プロセッサ選択プロセスも単純化しています。

Nios II プロセッサはどの市場をターゲットにしていますか？

Nios II プロセッサ・ファミリは、汎用の 32 ビット・エンベデッド・マイクロプロセッサを必要とする広範囲のアプリケーションで使用することができます。

Nios II C-to-Hardwareアクセラレーション・コンパイラ（C2Hコンパイラ）とは何ですか?

Nios II C2H コンパイラは、性能重視のソフトウェアのサブルーチンを自動的に高速化して、システム全体の性能を大幅に向上させる、Nios II の性能と生産性を向上させるツールです。C2H コンパイラは、Nios II IDE に統合されており無償評価できますが、ライセンス・ファイルは別途販売されています。

開発者は C2H コンパイラの使用によって、どのような利益を得ることができますか？

開発者は、FPGA のロジック・リソースを使用して高性能化を妨げるＣ言語のサブルーチンを実行することにより、プロセッサのクロック周波数を上げずにシステムの性能を向上させることができます。ハードウェア・アクセラレーションには、消費電力で妥協することなくシステム性能を向上させるという別の利点もあります。

デバイスのサポートおよびライセンス

Nios II プロセッサをサポートするアルテラの FPGA ファミリは？

Nios II プロセッサは、Stratix シリーズおよび Cyclone シリーズ FPGAによって完全にサポートされています。今後リリースされる FPGA ファミリは、Nios II プロセッサによってサポートされ、さらに高レベルのプロセッサ性能を提供します。

Nios II プロセッサは HardCopy ASIC に実装できますか？

実装できます。アルテラは、量産向けアプリケーションに対して、FPGA デザインから HardCopy ASIC への簡単なターンキー・マイグレーションを提供します。Nios II プロセッサで構築されたシステムは、アルテラのどの HardCopy ASIC でも使用できるようサポートされ、ライセンスが供与されます。

Nios II のライセンスは、どのようになっていますか？

Nios II 開発キットを購入したユーザには、Nios II エンベデッド・プロセッサ・ファミリおよび関連ペリフェラルを使用してシステムを開発し出荷するための無期限のライセンスが提供されます。このライセンスはロイヤリティ・フリーで、アルテラの FPGA デバイスまたは HardCopy ASIC に展開されたデザインに適用されます。

アルテラは Nios II プロセッサ・ベースのシステム用の ASIC への移行パスを提供していますか？

提供しています。 ASIC への移行パスは、ケース・バイ・ケースで提供されています。ライセンス供与の詳細については、アルテラの販売代理店にお問い合わせください。

システムのデザインおよび構築

システムのデザインおよび構築 Nios II エンベデッド・プロセッサ・ファミリの開発に必要なツールは何ですか？

Nios II エンベデッド・デザイン・スイート（EDS）は、Nios II プロセッサ・ベースのマイクロコントローラ作成用、およびターゲット Nios II システムのプログラミング用の完全な開発ツール・スイートです。Nios II EDS は、すべてのNios II 開発キットに含まれており、またダウンロード可能な評価版としても提供されています。

1 つの FPGA 内に複数の Nios II プロセッサ・コアを実装できますか？

できます。Nios II エンベデッド・プロセッサは、マルチプロセッサ・システムを完全にサポートしています。 SOPC Builder ツールを使用すれば、システム設計者は必要な数だけの Nios II プロセッサ・コアをシステムに追加できます。SOPC Builder は、これらのコアをシステムに正しく統合するのに必要な HDL デザイン・ファイルを自動生成します。

開発者が C2H コンパイラに期待できる性能の向上はどのようなものですか？

性能結果はいくつかの要因（アルゴリズム実装やコーディング･スタイルなど）により大きく変動する可能性がありますが、C2H コンパイラはベンチマーク評価で、ソフトウェアのみの実装に対し 40 倍以上の性能向上を達成しています。

Avalon スイッチ・ファブリックとは何ですか？

プロセッサ・システムの大多数は、マスタおよびスレーブ・コンポーネントが 1つのシステム・バスを共有するバス・トポロジを構成しています。複数のバス・マスタによるバス・アクセスの競合が発生すると、バス・マスタはシステムのその他のコンポーネントとデータのやり取りを行う前に、他のマスタのアクセスが終了するのを待たなければならないことがよくあります。これらのバス・アーキテクチャでは、設計者はすべてのペリフェラルのインタフェース動作の検証に多くの時間を費やさなければなりません。

Avalon スイッチ・ファブリックは、SOPC Builder デザイン・ツールによって自動生成され、システム内のすべてのマスタおよびスレーブ・ポートを接続するカスタムで構築されるインタコネクトです。これはスイッチ・ファブリックであり共有されるシステム・バスではないので、複数のマスタ・ポートが同時に動作可能であり、システム性能が飛躍的に向上します。

Nios II アーキテクチャ

Nios II プロセッサ・コアはどのようなアーキテクチャですか？

Nios II プロセッサ・ファミリは、多数の最新の 32 ビット・プロセッサで使用されている、次のような基本的なアーキテクチャを提供します。

32 ビットのインストラクション・サイズ
32 ビットのデータおよびアドレス・パス
32 個の汎用レジスタ
32 個の外部割込みソース
コンフィギュレーション可能なインストラクション・キャッシュ
コンフィギュレーション可能なデータ・キャッシュ
最大 256 個のカスタム・インストラクションへの共通インタフェース
カスタム・ペリフェラルを統合するための共通インタフェース

カスタム命令とは何ですか？

カスタム・インストラクションは、ユーザーが追加する、CPUの論理演算ユニット（ALU）を強化するハードウェア・ブロックです。Nios II プロセッサはカスタム命令の使用を完全にサポートしており、設計者は性能目標を満たすようシステム・ハードウェアを微調整できます。ユーザーはシステムで使用されている Nios II プロセッサ・コアごとに最大 256 個のカスタム命令を作成できます。本来の Nios II 命令と同様に、カスタム命令ロジックは、最大 2 個のソース・レジスタから値を取得することができ、また、オプションで結果をディスティネーション・レジスタに書き込むことができます。

ソフトウェア・ツールおよびミドルウェア

開発者はどのようにして Nios II システム向けのソフトウェアを構築しますか？

Nios II ソフトウェア開発ツールは、システム・ハードウェアに合わせて調整された、カスタマイズ C/C++ ランタイム環境を自動的に生成します。Nios II 統合開発環境（IDE）もまた、カスタム・ファームウェア・ソリューションの開発時に「スタータ」ファイルとして使用できるいくつかのソフトウェア・テンプレートを提供することにより、プロジェクトのセットアップ作業を簡素化します。

Nios II プロセッサに使用できるソフトウェア・デバッグ・ツールにはどのようなものがありますか？

アルテラは、インストラクション・セット・シミュレータ（ISS）によるデバッグ、またはシステム・ハードウェア（Nios II 開発キットで用意されている開発ボードなど）に対して直接デバッグが可能な、Nios II IDEを使用した完全なソフトウェア・デバッグ・ソリューションを提供しています。ハードウェアでの Nios II プロセッサ・システムの直接デバッグは、ハードウェア支援デバッグ・モジュールによって可能です。このデバッグ・モジュールは機能が豊富であり、IDE 制御の下で、実行制御、メモリ検査と修正、ハードウェア・ブレークポイント、データ・トリガ、プロセッサ・トレース機能を提供します。

Nios II プロセッサに使用可能なサード・パーティ提供のソフトウェア・ツールにはどのようなものがありますか？

エンベデッド・ソフトウェア・ツールのトップ・プロバイダ数社は、Nios II プロセッサ・ファミリに対するサポートを提供し、オペレーティング・システム、ミドルウェア、ソフトウェア・ライブラリ、IDE、デバッガ、協調検証ツールなどを提供しています。最新のエンベデッド・ツール・プロバイダのリストを確認してください。

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