通常用软件实现时，其设计容易修改，查错也比较容易，且基本上不增加占用的硬件资源。所以，在设计规划时，当需要的软硬件代价相当并且性能保证的情况下，软件实现是被优先考虑的。

    确定好软硬件模块的划分后，就可以开始具体的设计过程了。通常，嵌入式系统开发中CPU是不可更改的，因此外围设备的变动也受到CPU的限制，甚至整个嵌入式系统的硬件已经固定，难以更改(如PC104的开发)。因而，通常的嵌入式开发中，更多的是PCB设计及软件开发。与通常的嵌入式系统开发不同，由于NIOS是一个可灵活定制的CPU，它的外设是可选的IP核或自定制逻辑，所以可以根据系统设计要求，通过SOPC Builder向导式的界面定制裁剪适当的SOPC系统。鉴于上述NIOS开发的特点，在设计规划后，NIOS的开发流程分为硬件开发与软件开发两大部分。

    NIOS的硬件设计流程就是为了定制合适的CPU和外设，在SOPC Builder和QuartusII中完成。在这里可以灵活定制NIOS CPU的各个特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core来加快开发者开发NIOS外设的速度，提高外设的性能。同时，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog来自己定制外设。
    完成NIOS的硬件开发后，SOPC Builder可以帮助开发者生成相应的SDK（软件开发包）。这是由于在硬件开发中的NIOS CPU及其外设构成的系统是自定制的，存储器、外设地址的映射等各不相同，需要的SDK也应是专有的。SOPC Builder可自动生成SDK。

    在生成的SDK基础上，开发者可以进入软件开发流程。在这个部分，开发者面对的嵌入式系统是自己定制的、裁剪过的，因此受到硬件的局限会小一些。开发者可以使用汇编语言、C或C++语言来进行嵌入式程序设计，使用GNU工具或其他第三方工具进行程序的编译连接以及调试。
2  针对硬盘录像机的NIOS嵌入式处理器设计
    在硬盘录像机中涉及到图像采集、图像压缩、图像存储三个主要部分，因此在设计外部接口时需要考虑到这三部分中芯片控制所需要的接口。

    (1)图像采集部分。图像采集部分使用SAA7113完成视频信号的采集。该芯片是可编程视频处理芯片，采用CMOS工艺，通过简单的I2C总线可以对其实现编程控制。它将不同制式的模拟信号统一成相同的数字标准，采用ITU-R BT.601格式^[2]，采样时对亮度信号和两个色差信号分别编码，对不同制式信号采用单一的取样频率，而且和任何模拟系统的彩色副载波频率无关，因此在分量系统中不再包含任何副载波。取样频率定为13.5MHz，它也是对亮度信号Y的取样频率。由于色度信号的带宽远比亮度信号的带宽窄，因而对色度信号U和V的取样率较Y减半，为6.75MHz。每个数字有效行分别有720个亮度取样点和360*2个色差信号取样点。对每个分量的取样点进行均匀量化。对每个取样进行8位的PCM编码。

    (2)图像压缩部分。本系统采用硬件压缩方式完成视频图像的JPEG压缩。通常在视频监控系统中使用Motion－JPEG(MJPEG)技术，MJPEG压缩芯片将A/D转换芯片输入的YUV格式的数据进行MJPEG格式的压缩。MJPEG由JPEG图像连接组成，相对JPEG图像，每幅都有自己的量化表和Huffman码表。MJPEG可以仅使用一张量化表和Huffman码表对连续几十帧甚至上百帧图像进行压缩，仅当数据发生丢失时才需要重新载入量化表和Huffman码表。这一优点大大降低了系统视频解码时所需要的开销。而且，MJPEG可以分帧存储，这给数据的管理和回放带来了方便。本系统是使用ZORAN公司的单片MJPEG压缩/解压缩芯片ZR36060来完成图像的JPEG压缩的。

    (3)图像存储部分。为了解决大量的图像数据问题，本系统采用IDE(Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器)接口的硬盘来完成设计。IDE的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。这种集成方法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘控制起来变得更容易。控制方式有PIO方式和DMA方式两种。本系统使用了IDE硬盘的PIO控制方式。

    由于采用了NIOS处理器，因此可以不局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的标准定制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。本系统根据硬盘录像机的具体要求选择了Altera公司的Cyclone系列的EP1C6来完成CPU的设计；使用Flash Rom AM29LV065DU进行程序的加载工作；选用SRAM为CY7C1041CV33的存储器进行数据的缓存；FPGA的AS配置芯片为EPCS4。

    在外围芯片中，视频解码芯片SAA7113需要I²C接口进行控制，存储图像的硬盘需要IDE接口，但是在NIOS的外围标准接口中没有这些接口可供选择，这时只要设置GPIO(General-Purpose I/O)接口，并用GPIO接口模拟出I2C总线接口和IDE接口的操作即可。同时也用GPIO接口完成MJPEG压缩芯片的配置任务。
    综合以上的硬件资源要求，本系统在FPGA内部设计的模块如图2所示。

    FPGA内部模块的核心模块是NIOS处理器的核，其次是用来控制系统时钟的定时器1和定时器2。为了完成对SAA7113和ZR36060的初始化配置工作，设置了片内Rom来存储配置文件信息，同时还设置了存储器接口和通用I/O接口完成和外部存储器与I/O设备的连接。整个嵌入式系统内部是由Avalon总线完成各模块之间连接的。
    整个系统的调试工作通过JTAG接口和串行口完成。调试程序通过JTAG接口下载到FPGA的内部，由串口来连接一个显示终端，将调试信息显示到PC机上。
3  控制软件的设计
    系统上电硬件复位后，软件根据用户需要自动对各项控制器指令代码及其参数进行设置，从而完成对SAA7113、ZR36060、IDE接口的初始化工作，然后控制视频信号的采集压缩和存储。系统工作流程如图3所示。