基于RISC-V指令集架构的微控制器的设计与实现
发布时间：2021-05-11 19:01
在即将到来的智能互联时代,“万物互联”的理念给微控制器的应用带来了宽广的想象空间,但同时也给微控制器的设计和研发带来了新的难题:一方面,物联网时代对芯片的数据计算、处理和传输能力的要求越来越高;另一方面,复杂而多样的应用场景又给芯片带来了低功耗、低成本的要求。目前市场上基于主流指令集进行研发的微控制器由于难度大,投入成本高,开发时间长等原因,在面对新形势下的市场环境已经显得力不从心。而第五代精简指令集架构以其开源免费、开发难度低和综合性能强的特点,为物联网时代微控制器的研发注入了全新的思路和力量。本文所实现的微控制器采用了基于第五代精简指令集架构的内核,在对各模块进行实现的过程中充分利用和修改已有IP核,并强调软件平台和硬件平台的配合设计。AXI总线和APB总线则分别作为微控制器的高速总线和低速总线,分别挂载系统的高速模块和低速模块,使系统内各个速度不同的模块能够互联互通,起到串联整个系统的作用,并最终实现MCU系统的一体化。在完成了系统的架构设计之后,本设计又搭建了测试平台,对微控制器进行了测试与验证。首先验证了中央处理器的功能正确性,包括RISC-V基本指令的测试和运行高级语言程序...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.2 国内外发展现状
1.3 研究意义
1.4 本论文的结构安排
第二章 微控制器相关研究理论与实现技术
2.1 指令集发展概述
2.1.1 复杂指令集架构与精简指令集架构
2.1.2 第五代精简指令集概述
2.2 微控制器实现方法与技术
2.2.1 软件和硬件协同设计与实现技术
2.2.2 IP核重复使用技术
2.2.3 片上互联总线实现技术
2.3 AXI总线的结构及其传输操作
2.3.1 AXI总线的系统结构
2.3.2 AXI总线的传输详解
2.3.3 AXI总线的握手过程
2.4 APB总线的结构及其传输操作
2.4.1 APB总线系统组成和工作状态
2.4.2 APB总线的读写传输及时序
2.5 本章小结
第三章 微控制器系统的研究与实现
3.1 基于RISC-V指令集的内核模块的研究与实现
3.1.1 内核的结构特点
3.1.2 四级流水线介绍
3.1.3 核心模块介绍
3.2 SPI控制器模块的设计与实现
3.2.1 SPI控制模块的信号端口与寄存器
3.2.2 SPI控制器的结构
3.2.3 SPI控制状态机的实现
3.3 GPIO控制器模块的设计与实现
3.3.1 GPIO控制器介绍
3.3.2 GPIO控制器接口信号与寄存器
3.4 UART模块的设计与实现
3.4.1 UART协议介绍
3.4.2 UART模块的结构
3.4.3 UART接收状态机的实现
3.4.4 UART的配置和控制寄存器
3.5 I~2C控制器的设计与实现
3.5.1 I~2C协议时序介绍
3.5.2 I~2C控制器的结构与实现
3.5.3 命令控制状态机的实现
3.6 DPWM模块的设计与实现
3.6.1 DPWM技术原理简介
3.6.2 DPWM模块的结构
3.6.3 DPWM模块的实现
3.7 本章小结
第四章 微控制器的仿真和验证
4.1 微控制器内核的仿真与测试
4.1.1 对内核进行RISC-V指令的官方测试
4.1.2 在内核上运行高级语言(C语言)编写的软件程序
4.2 SPI控制器的仿真与测试
4.3 GPIO控制器的仿真与测试
4.4 UART的仿真与测试
4.5 I~2C控制器的仿真与测试
4.6 DPWM模块的仿真与测试
4.7 本章小结
第五章 基于SMIC130 纳米工艺的微控制器的综合及物理实现
5.1 逻辑综合流程和步骤
5.1.1 逻辑综合流程和步骤
5.1.2 静态时序分析和时序约束
5.1.3 逻辑综合过程及结果分析
5.2 基于深亚微米工艺的物理实现方法及流程
5.2.1 芯片的布局规划
5.2.2 芯片的电源规划和标准单元的放置
5.2.3 芯片的时钟树综合
5.2.4 芯片的布线
5.3 物理实现结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 创新点分析
6.3 不足与展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MS-ECO的多模式多端角签收时序修复方法的研究[J]. 沈潜锋,龚敏,高博. 电子器件. 2018(02)
[2]光刻技术的历史与现状[J]. 楼祺洪,袁志军,张海波. 科学. 2017(03)
[3]信息时代的物质基础——晶体管的发明[J]. 潜伟. 科技导报. 2009(19)
[4]超深亚微米IC设计中的天线效应[J]. 李蜀霞,刘辉华,赵建明,何春. 中国集成电路. 2008(04)
[5]SoC静态时序分析中时序约束策略的研究及实例[J]. 谈晓婷,付宇卓,谢凯年. 微电子学与计算机. 2006(04)
[6]SPI串行总线接口的Verilog实现[J]. 孙丰军,余春暄. 现代电子技术. 2005(16)
[7]SPI总线接口的FPGA设计与实现[J]. 杨承富,徐志军. 军事通信技术. 2004(02)
[8]LVS版图验证方法的研究[J]. 石春琦,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2002(02)
博士论文
[1]超标量嵌入式处理器关键技术设计研究[D]. 孟建熠.浙江大学 2009
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]基于龙芯软核处理器LS232的SoPC设计与实现[D]. 黄庆奕.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2019
[3]基于UVM的APB-I2C验证IP的设计与实现[D]. 张彦磊.电子科技大学 2019
[4]基于RISC-V指令集处理器的控制器研究[D]. 滕宇.黑龙江大学 2018
[5]基于SoPC架构的芯片设计与物理实现[D]. 张曾洋.电子科技大学 2016
[6]基于AXI总线的SoC架构设计与分析[D]. 胡景华.上海交通大学 2013
[7]基于ARMv4指令集的32位RISC微控制器的设计与实现[D]. 孙永琦.浙江理工大学 2013
[8]SOC软硬件协同设计方法研究[D]. 姜灵峰.华中科技大学 2009
[9]I2C总线在SOC系统中的设计与实现[D]. 刘莎莎.电子科技大学 2010
[10]基于51核的SOC物理设计与验证[D]. 范奉艳.山东大学 2008
本文编号：3181934
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.2 国内外发展现状
1.3 研究意义
1.4 本论文的结构安排
第二章 微控制器相关研究理论与实现技术
2.1 指令集发展概述
2.1.1 复杂指令集架构与精简指令集架构
2.1.2 第五代精简指令集概述
2.2 微控制器实现方法与技术
2.2.1 软件和硬件协同设计与实现技术
2.2.2 IP核重复使用技术
2.2.3 片上互联总线实现技术
2.3 AXI总线的结构及其传输操作
2.3.1 AXI总线的系统结构
2.3.2 AXI总线的传输详解
2.3.3 AXI总线的握手过程
2.4 APB总线的结构及其传输操作
2.4.1 APB总线系统组成和工作状态
2.4.2 APB总线的读写传输及时序
2.5 本章小结
第三章 微控制器系统的研究与实现
3.1 基于RISC-V指令集的内核模块的研究与实现
3.1.1 内核的结构特点
3.1.2 四级流水线介绍
3.1.3 核心模块介绍
3.2 SPI控制器模块的设计与实现
3.2.1 SPI控制模块的信号端口与寄存器
3.2.2 SPI控制器的结构
3.2.3 SPI控制状态机的实现
3.3 GPIO控制器模块的设计与实现
3.3.1 GPIO控制器介绍
3.3.2 GPIO控制器接口信号与寄存器
3.4 UART模块的设计与实现
3.4.1 UART协议介绍
3.4.2 UART模块的结构
3.4.3 UART接收状态机的实现
3.4.4 UART的配置和控制寄存器
3.5 I~2C控制器的设计与实现
3.5.1 I~2C协议时序介绍
3.5.2 I~2C控制器的结构与实现
3.5.3 命令控制状态机的实现
3.6 DPWM模块的设计与实现
3.6.1 DPWM技术原理简介
3.6.2 DPWM模块的结构
3.6.3 DPWM模块的实现
3.7 本章小结
第四章 微控制器的仿真和验证
4.1 微控制器内核的仿真与测试
4.1.1 对内核进行RISC-V指令的官方测试
4.1.2 在内核上运行高级语言(C语言)编写的软件程序
4.2 SPI控制器的仿真与测试
4.3 GPIO控制器的仿真与测试
4.4 UART的仿真与测试
4.5 I~2C控制器的仿真与测试
4.6 DPWM模块的仿真与测试
4.7 本章小结
第五章 基于SMIC130 纳米工艺的微控制器的综合及物理实现
5.1 逻辑综合流程和步骤
5.1.1 逻辑综合流程和步骤
5.1.2 静态时序分析和时序约束
5.1.3 逻辑综合过程及结果分析
5.2 基于深亚微米工艺的物理实现方法及流程
5.2.1 芯片的布局规划
5.2.2 芯片的电源规划和标准单元的放置
5.2.3 芯片的时钟树综合
5.2.4 芯片的布线
5.3 物理实现结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 创新点分析
6.3 不足与展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MS-ECO的多模式多端角签收时序修复方法的研究[J]. 沈潜锋,龚敏,高博. 电子器件. 2018(02)
[2]光刻技术的历史与现状[J]. 楼祺洪,袁志军,张海波. 科学. 2017(03)
[3]信息时代的物质基础——晶体管的发明[J]. 潜伟. 科技导报. 2009(19)
[4]超深亚微米IC设计中的天线效应[J]. 李蜀霞,刘辉华,赵建明,何春. 中国集成电路. 2008(04)
[5]SoC静态时序分析中时序约束策略的研究及实例[J]. 谈晓婷,付宇卓,谢凯年. 微电子学与计算机. 2006(04)
[6]SPI串行总线接口的Verilog实现[J]. 孙丰军,余春暄. 现代电子技术. 2005(16)
[7]SPI总线接口的FPGA设计与实现[J]. 杨承富,徐志军. 军事通信技术. 2004(02)
[8]LVS版图验证方法的研究[J]. 石春琦,吴金,常昌远,魏同立. 电子器件. 2002(02)
博士论文
[1]超标量嵌入式处理器关键技术设计研究[D]. 孟建熠.浙江大学 2009
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]基于龙芯软核处理器LS232的SoPC设计与实现[D]. 黄庆奕.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2019
[3]基于UVM的APB-I2C验证IP的设计与实现[D]. 张彦磊.电子科技大学 2019
[4]基于RISC-V指令集处理器的控制器研究[D]. 滕宇.黑龙江大学 2018
[5]基于SoPC架构的芯片设计与物理实现[D]. 张曾洋.电子科技大学 2016
[6]基于AXI总线的SoC架构设计与分析[D]. 胡景华.上海交通大学 2013
[7]基于ARMv4指令集的32位RISC微控制器的设计与实现[D]. 孙永琦.浙江理工大学 2013
[8]SOC软硬件协同设计方法研究[D]. 姜灵峰.华中科技大学 2009
[9]I2C总线在SOC系统中的设计与实现[D]. 刘莎莎.电子科技大学 2010
[10]基于51核的SOC物理设计与验证[D]. 范奉艳.山东大学 2008
本文编号：3181934
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