FPGA用のNios IIとは？仕様・機能・評価ボード・開発環境・対応OSを紹介

Nios II（読み方：ニオスツー）とは、インテルのプロセッサのひとつです。Nios IIは、FPGA向けに特化して設計されています。

Nios IIの製品ライン

Nios IIの製品ラインは、下記の通りです。

Nios IIの仕様

機能	Nios II /e(エコノミー)	Nios II /f(高速)
最大周波数(MHz)	370(Stratix V)	350(Stratix V)
最大性能(MIPS@MHz)Stratixシリーズ	56(370 MHz)	396(350 MHz)
最大性能(MIPS@MHz)Arriaシリーズ	38(250 MHz)	203(180 MHz)
最大性能(MIPS@MHz)Cycloneシリーズ	32(210 MHz)	203(180 MHz)
最大性能効率(MIPS@MHz)	0.15	1.13
16/32ビット命令セット・サポート	32	32
レベル1　命令キャッシュ	–	コンフィギュレーション可能
レベル1　データ・キャッシュ	–	コンフィギュレーション可能
レベル2　キャッシュ	–	–
メモリ・マネージメント・ユニット(MMU)	–	コンフィギュレーション可能
浮動小数点演算ユニット	–	FPCI
ベクトル割り込みコントローラ	–	〇
蜜結合メモリ	–	コンフィギュレーション可能
カスタム命令インターフェース	最大256	最大256
等価LE	600	1,800-3,200

出典：Nios II エンベデッド・ソフトコア・プロセッサ

Nios IIとは

Nios II プロセッサーは、世界で最も汎用性に優れたプロセッサーであり (ガートナー調べ)、FPGA 業界で最も広く利用されているソフトコア・プロセッサーです。卓越した柔軟性を備えているため、コスト重視、リアルタイム制御、セーフティー・クリティカル (DO-254)、アプリケーション処理といったニーズを満たす上で最適です。Nios II プロセッサーは、インテル FPGA ファミリーおよび SoC ファミリーをすべてサポートしています。

引用：Nios II プロセッサー

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Nios IIの機能

Nios IIの詳しい機能は下記のとおりです。

• MMU
• MPU
• コントローラーごとに 32 回まで割り込み可能な外部ベクター割り込みコントローラー
• 高機能な例外のサポート
• 独立した命令キャッシュとデータキャッシュ (512 バイトから 64 K バイトまでコンフィグレーション可能)
• 最大 4GB の外部アドレス空間
• 命令およびデータ用密結合メモリー (TCM) (オプション)
• 最大 DMIPS (Dhrystone 2.1 ベンチマークを利用) / MHz を達成する 6 段パイプライン
• シングルサイクル・ハードウェアによる乗算、およびバレルシフター
  ハードウェア除算オプション
• ダイナミック分岐予測
• 最大 256 個のカスタム・インストラクションと制限のないハードウェア・アクセラレーター
• コンフィグレーション可能な JTAG デバッグモジュール
• 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・トレースなどの JTAG デバッグモジュール拡張機能 (オプション)

出典：Nios II プロセッサーの機能

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Nios IIの特徴

Nios IIの特徴は、以下の通りです。

【特徴１】Nios IIの柔軟性

Nios IIの1つめの特徴は、柔軟性です。

Nios IIは、インテル主流のFPGAをすべてサポートしています。

また、Nios IIは、カスタマイズ可能なペリフェラルセットを提供しています。標準的なCPUでは実現できない構成であっても、任意のペリフェラル、メモリー、および I/O の組み合わせを実現できます。

以上のようにNios IIは、要求に応じてカスタマイズが可能なプロセッサです。

【特徴２】Nios IIの長い製品寿命

Nios IIの2つめの特徴は、製品寿命が長いことです。

Nios IIは、フィールドに展開済みの製品に対しソフトウェアを更新するのと同じように、ハードウェアを更新できます。

このため、時間経過に伴ってハードウェア機能を充実させられるほか、バグ修正も容易になるため、製品の返品や再作業も不要になります。

以上のように、Nios IIは長い製品寿命を持っています。

【特徴３】Nios IIは低コストなプロセッサ

Nios IIの3つめの特徴は、低コストであることです。

Nios IIは、低コストなコアを搭載しています。Nios IIのコアは、ロジック利用効率に特化して設計されています。

このためNios IIは、最小限のロジックとメモリーリソースを使用した、低コストなプロセッサを実現しています。

【特徴４】高性能

Nios IIの4つめの特徴は、高性能であることです。

Nios IIのコアは、性能に配慮して設計されており、250MHzで動作します。

また、マルチコア処理にも対応しています。

マルチコアについては、以下をご覧ください。

組込みにおけるマルチコア、マルチコアプロセッサとは？種類・定義・特徴をわかりやすく解説

Nios IIの入手方法

Nios IIは、下記のインテルの販売代理店で購入できます。

Nios IIの開発環境(IDE)

Nios IIに対応した代表的な開発環境は、以下のとおりです。

Nios IIの評価ボード

Nios IIの評価ボードは、下記の通りです。

評価ボード	対象者
インテル MAX 10 FPGA 開発キット	Nios II エンベデッド・デザイン・スイート (EDS) を用いて開発したい
BeMicro MAX 10	LEDやボタンなどMAX 10にはない機能を使用して開発したい

いずれも、インテルのMAX 10 FPGAを使用した開発ボードです。

インテル MAX 10 FPGA 開発キット

インテル MAX 10 FPGA 開発キットは、インテルのFPGA開発キットです。Nios IIを利用した開発が可能です。インテル MAX 10 FPGA開発キットを用いてNios IIの開発を行うと、Nios II エンベデッド・デザイン・スイート (EDS) を始めとする様々な開発ツールを利用できます。

BeMicro MAX 10

BeMicro MAX 10は、FPGA開発キットです。Nios IIを利用した開発が可能です。

BeMicro MAX 10は、MAX 10の機能に加え、8MBのSDRAM、加速度計、DAC、温度センサ、LEDやボタンなどを搭載しています。このため、それらの拡張機能を用いて開発を行う場合に適しています。

Nios IIの対応OS

Nios IIに対応している主なOSは、下記の通りです。

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