基于RISC架构嵌入式微处理器的设计与优化

发布时间：2022-02-05 00:58

　　处理器核是嵌入式系统与SoC系统的心脏。本文设计了一类基于RISC架构的嵌入式处理器核,并对其进行了各项指标优化。其指令集与Microchip公司PIC16系列相兼容,具有电路规模小,功耗较低的优势。生成的嵌入式处理器IP能够广泛应用于工业控制、仪表仪器、汽车电子等领域。本项目遵循了集成电路与集成系统经典的自上而下的设计流程,从系统划分、代码编写、RTL仿真、FPGA原型验证、到最后电路、版图实现,都对设计做了最大的优化,涉及电路的低功耗设计,锁存器级设计等。本文首先介绍了处理器的发展背景与趋势。然后对设计框架进行了详细的划分,并对时钟系统、流水线进行精密的设计,对重要模块实现做了较详尽的描述与仿真验证。最后,通过物理综合,布局布线,对电路规模与功耗进行了评估,实现了本设计的固核与硬核。得益于项目团队对系统架构的深刻分析,对功能模块的灵活设计、电路详细有效的描述等方面的优势,本设计运用FPGA验证与ASIC实现相结合的设计方法,在系统性能与电路规模和功耗之间做到了科学有效的平衡,在成本和性能之间取得了良好的结合点。本设计为微处理器设计研究奠定了一定的基础,并且在低功耗设计,锁存器级设计... 

【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】：81 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

集成电路设计TOP-DOWN设计流程

者利用经过验证的逻辑单元或模块。接下来是电路级的设计，路图，最后自动布局布线工具将电路网表转换成可生产的版图的芯片[3]。这种模块化的设计方法是一种设计思想，是自顶而工协作设计思路的集中体现。研究意义，随着我国集成电路产业的迅速发展，集成电路产值年平均年%左右。在我国工业系统和设备中，存在着大量以处理器为核心统，其中很大部分都依赖于进口，使得许多系统的维护与更新变，对我国的国防，工业都产生很大的制约影响。因此研制能够入式核对于改善核心部件强烈依赖进口的情况有很大的帮助，心的电子系统的集成提供了物质基础，对于系统保密性的提高持自主发展，增强技术创新和产业核心竞争力，掌握集成电路有自主产权产品的比重是我们的历史性任务。

增加状态机复杂度。性能的提高往往并不是嵌入式处理器的绝对目标，因此本设计采用了重叠的准流水方式执行指令[8]。所谓重叠方式就是指前一条指令的执行完成之前，就开始下一条指令的解释执行，两条指令在事件上互相重叠。这种重叠准流水的执行方式不但简化了控制电路的设计难度，提高了处理器的执行效率，而且保证了 IP的功耗与芯片面积。系统执行执行指令的过程，包括指令预取（IR），指令读取（IF），指令译码（ID），运算执行（EX），数据回写（WB）五个连续步骤，每一个步骤都由特定的硬件来负责，指令基本顺序执行（跳转指令除外），这种顺序执行的特点使得基本流水成为可能。如图 2-3 所示，本设计采用单时钟 4 节拍二级流水的架构，在执行第 n 条指令的同时，PC+1 取指。第 n 条指令执行完毕之时，第 n+1 条指令预取指已经完成。对于跳转指令、分支指令或者中断情况，预取的指令不是预期的要执行指令，因此需要丢弃提前预取的指令，代而执行一条空(NOP)指令。也可以说这类指令的执行需要两个指令周期。

【参考文献】：
期刊论文
[1]微控制器中ALU与移位逻辑的设计与改进[J]. 黄海林,钱刚,张盛兵.  计算机工程与科学. 2004(01)
[2]嵌入式RISC处理器技术的发展现状[J]. 岳云.  今日电子. 2002(08)



本文编号：3614269