基于RISC-V指令集微控制器的研究
发布时间：2021-01-08 02:04
在这个一切追求数字化的信息时代,诸如手机、电脑以及智能家居等电子产品已经离不开人们的生活,这些智能产品基本都会具备一个被称为微控制器的核心芯片。微控制器与其他外设及接口一起构成了微控制器,以实现对各种智能电子产品的不同功能控制,从而确保电子产品在工业、国防、通信以及交通等领域为人们服务。处理器的性能优化,可以提高整个处理流程的速度,所以深入研究控制器并进行优化设计具有一定的理论与实际意义。本文在RISC-V指令集的基础上完成其处理器中控制器的相关研究,主要工作如下:一、分析RISC-V指令集的体系结构。本文使RISC-V指令集中常用的指令作为基础,通过对比分析RISC-V指令集的特点,并充分利用该指令集简洁,精简的优势,完成RISC-V微控制器结构的设计。二、设计一款多级流水线的32位微控制器,实现了RISC-V中基本的47条指令,包括基本的运算指令,跳转指令,以及转移指令。在该处理器中,采用五级流水线位基本结构,使用静态预测机制,舍弃了经典的RSIC处理器中使用的分支延时槽技术。同时采用统一的精确同步异常处理方式,通过流水线空泡方法。在实现中断和异常的处理中,牺牲一个时钟周期的处理时...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RISC-V微控制器五级流水线RTL图
第三章RISC-V微控制器设计24的需求，在满足正常的使用条件下，降低功耗与面积，采用经典的五级流水线来设计，RTL如图3.3所示。图3.3RISC-V微控制器五级流水线RTL图本文的RISC-V微控制器结构与大多数流水线结构类似，分为取指、译码、执行、访存和写回五个部分。其中取指单元包括了PC计数器，以及指令的静态预测单元，译码部分包括了32个32位整数计数器。最终在进行代码综合，通过modelsim进行仿真如图3.4所示。可以看出在第二个时钟周期的时候，处理器在进行第一个指令译码的同时也在进行第二条指令的取指操作。图3.4RISC-V微控制器五级流水线模拟仿真图3.2微控制器取指电路设计“取指”通常位于处理器流水线的第一级，通常由取指单元IFU(InstructionFetchUnit)来完成，本文的微控制的取指单元结构主要由PC计数器，以及指令预测器来完成。对于本文的微控制器，由于指令存储器ROM的位宽为32位，故可通过顺序取指的方式来完成，其每变化一个PC地址，均可取出四个字节的数据，因此，在进行顺序取指时，PC计数器的每次自增值为1。
安徽大学硕士学位论文25本文设计的控制器取指单元包括指令预测电路，PC计数器电路和指令存储器ROM三部分组成，其中指令静态预测电路接收指令译码单元和指令执行单元的反馈信息，并及时更新PC值。同时发生指令预测错误时，进行流水线冲刷。其基本结构的RTL如图3.5所示。图3.5微控制器取指单元RTL图1）预测电路设计指令预测电路为取指单元中最为复杂的电路，它需要时刻关注当前指令的执行情况，并对下一条待执行的指令进行预测，其主要功能为：控制PC计数器的输出，并根据当前的PC值，得出下一条要执行的指令。根据指令执行情况，接收译码单元和执行单元的信息，及时调整下一条PC的值。当遇到指令预测失败或中断和异常时，产生流水线冲刷请求，并记录当前的PC值，并读取相应的CSR的值，通过一定的计算，把它作为新的PC值进行取指。根据前面所述，预测电路分为动态预测和静态预测，但根据应用场景的不同，采用的预测方式也有区别。动态预测由于精度高，常用于多级流水线且对性能要求很高的处理器中。但由于其设计复杂，需要的逻辑单元较多，因此需要牺牲一定的面积，其逻辑数量甚至多到不得不单独把它作为流水线中的某一级。而静态电路在算法和设计上简单，因此需要的逻辑单元非常少，因此在如本文的低功耗和对性能要求不高的处理器中常使用静态预测方式。在RISC-V指令集中，总共有8条跳转指令，其中2条无条件跳转指令总是跳转，剩下的6条指令需要等指令到执行单元执行后才能知道是否需要跳转。因此可以通过最简单的预测设计，即只要是跳转指令均预测其为不跳转，等待执行单元的结果，若预测
【参考文献】：
期刊论文
[1]提前分支预测结构及算法研究[J]. 靳文兵,石峰,左琦,张杨. 计算机研究与发展. 2013(10)
[2]基于哈佛结构的单周期堆栈处理器设计[J]. 何凯成,施慧彬. 微电子学与计算机. 2013(09)
[3]“申威-1号”高性能微处理器的功能验证[J]. 黄永勤,朱英,巨鹏锦,吴志勇,陈诚. 软件学报. 2009(04)
[4]基于RISC技术的MCU核的设计与研究[J]. 刘涛,应继宏. 科学技术与工程. 2007(07)
[5]龙芯2号处理器设计和性能分析[J]. 胡伟武,张福新,李祖松. 计算机研究与发展. 2006(06)
[6]1971年11月15日英特尔发布4004处理器[J]. 冯志明,刘晓坤,徐菁睛. 多媒体世界. 2006(02)
[7]龙芯二号面世[J]. 刘京玲. 人工晶体学报. 2005(04)
[8]首枚国产CPU“龙芯”1号问世[J]. 风宗. 军民两用技术与产品. 2002(10)
[9]英特尔奔腾4处理器[J]. 电子科技. 2000(23)
[10]MIPS R2000/R2010体系结构简介[J]. 黄萍芳,佟春环,吴杏仁,潘正祥. 计算机工程与应用. 1990(09)
硕士论文
[1]基于RISC-V架构的双发射微处理器设计与实现[D]. 盛启隆.西安理工大学 2019
[2]嵌入式SDRAM控制器的设计与验证[D]. 王婉星.西安电子科技大学 2017
[3]处理器核的性能分析及其分支预测结构优化[D]. 吴金磊.国防科学技术大学 2016
[4]一款基于四级流水结构的8位MCU芯片XD2637的设计[D]. 张雪娇.西安电子科技大学 2013
[5]x86架构CPU中断机制的研究和实现[D]. 裴雅丽.北京交通大学 2012
本文编号：2963691
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RISC-V微控制器五级流水线RTL图
第三章RISC-V微控制器设计24的需求，在满足正常的使用条件下，降低功耗与面积，采用经典的五级流水线来设计，RTL如图3.3所示。图3.3RISC-V微控制器五级流水线RTL图本文的RISC-V微控制器结构与大多数流水线结构类似，分为取指、译码、执行、访存和写回五个部分。其中取指单元包括了PC计数器，以及指令的静态预测单元，译码部分包括了32个32位整数计数器。最终在进行代码综合，通过modelsim进行仿真如图3.4所示。可以看出在第二个时钟周期的时候，处理器在进行第一个指令译码的同时也在进行第二条指令的取指操作。图3.4RISC-V微控制器五级流水线模拟仿真图3.2微控制器取指电路设计“取指”通常位于处理器流水线的第一级，通常由取指单元IFU(InstructionFetchUnit)来完成，本文的微控制的取指单元结构主要由PC计数器，以及指令预测器来完成。对于本文的微控制器，由于指令存储器ROM的位宽为32位，故可通过顺序取指的方式来完成，其每变化一个PC地址，均可取出四个字节的数据，因此，在进行顺序取指时，PC计数器的每次自增值为1。
安徽大学硕士学位论文25本文设计的控制器取指单元包括指令预测电路，PC计数器电路和指令存储器ROM三部分组成，其中指令静态预测电路接收指令译码单元和指令执行单元的反馈信息，并及时更新PC值。同时发生指令预测错误时，进行流水线冲刷。其基本结构的RTL如图3.5所示。图3.5微控制器取指单元RTL图1）预测电路设计指令预测电路为取指单元中最为复杂的电路，它需要时刻关注当前指令的执行情况，并对下一条待执行的指令进行预测，其主要功能为：控制PC计数器的输出，并根据当前的PC值，得出下一条要执行的指令。根据指令执行情况，接收译码单元和执行单元的信息，及时调整下一条PC的值。当遇到指令预测失败或中断和异常时，产生流水线冲刷请求，并记录当前的PC值，并读取相应的CSR的值，通过一定的计算，把它作为新的PC值进行取指。根据前面所述，预测电路分为动态预测和静态预测，但根据应用场景的不同，采用的预测方式也有区别。动态预测由于精度高，常用于多级流水线且对性能要求很高的处理器中。但由于其设计复杂，需要的逻辑单元较多，因此需要牺牲一定的面积，其逻辑数量甚至多到不得不单独把它作为流水线中的某一级。而静态电路在算法和设计上简单，因此需要的逻辑单元非常少，因此在如本文的低功耗和对性能要求不高的处理器中常使用静态预测方式。在RISC-V指令集中，总共有8条跳转指令，其中2条无条件跳转指令总是跳转，剩下的6条指令需要等指令到执行单元执行后才能知道是否需要跳转。因此可以通过最简单的预测设计，即只要是跳转指令均预测其为不跳转，等待执行单元的结果，若预测
【参考文献】：
期刊论文
[1]提前分支预测结构及算法研究[J]. 靳文兵,石峰,左琦,张杨. 计算机研究与发展. 2013(10)
[2]基于哈佛结构的单周期堆栈处理器设计[J]. 何凯成,施慧彬. 微电子学与计算机. 2013(09)
[3]“申威-1号”高性能微处理器的功能验证[J]. 黄永勤,朱英,巨鹏锦,吴志勇,陈诚. 软件学报. 2009(04)
[4]基于RISC技术的MCU核的设计与研究[J]. 刘涛,应继宏. 科学技术与工程. 2007(07)
[5]龙芯2号处理器设计和性能分析[J]. 胡伟武,张福新,李祖松. 计算机研究与发展. 2006(06)
[6]1971年11月15日英特尔发布4004处理器[J]. 冯志明,刘晓坤,徐菁睛. 多媒体世界. 2006(02)
[7]龙芯二号面世[J]. 刘京玲. 人工晶体学报. 2005(04)
[8]首枚国产CPU“龙芯”1号问世[J]. 风宗. 军民两用技术与产品. 2002(10)
[9]英特尔奔腾4处理器[J]. 电子科技. 2000(23)
[10]MIPS R2000/R2010体系结构简介[J]. 黄萍芳,佟春环,吴杏仁,潘正祥. 计算机工程与应用. 1990(09)
硕士论文
[1]基于RISC-V架构的双发射微处理器设计与实现[D]. 盛启隆.西安理工大学 2019
[2]嵌入式SDRAM控制器的设计与验证[D]. 王婉星.西安电子科技大学 2017
[3]处理器核的性能分析及其分支预测结构优化[D]. 吴金磊.国防科学技术大学 2016
[4]一款基于四级流水结构的8位MCU芯片XD2637的设计[D]. 张雪娇.西安电子科技大学 2013
[5]x86架构CPU中断机制的研究和实现[D]. 裴雅丽.北京交通大学 2012
本文编号：2963691
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