發(fā)布時間：2021-01-08 02:04

　　在這個一切追求數(shù)字化的信息時代,諸如手機、電腦以及智能家居等電子產(chǎn)品已經(jīng)離不開人們的生活,這些智能產(chǎn)品基本都會具備一個被稱為微控制器的核心芯片。微控制器與其他外設(shè)及接口一起構(gòu)成了微控制器,以實現(xiàn)對各種智能電子產(chǎn)品的不同功能控制,從而確保電子產(chǎn)品在工業(yè)、國防、通信以及交通等領(lǐng)域為人們服務(wù)。處理器的性能優(yōu)化,可以提高整個處理流程的速度,所以深入研究控制器并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有一定的理論與實際意義。本文在RISC-V指令集的基礎(chǔ)上完成其處理器中控制器的相關(guān)研究,主要工作如下:一、分析RISC-V指令集的體系結(jié)構(gòu)。本文使RISC-V指令集中常用的指令作為基礎(chǔ),通過對比分析RISC-V指令集的特點,并充分利用該指令集簡潔,精簡的優(yōu)勢,完成RISC-V微控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。二、設(shè)計一款多級流水線的32位微控制器,實現(xiàn)了RISC-V中基本的47條指令,包括基本的運算指令,跳轉(zhuǎn)指令,以及轉(zhuǎn)移指令。在該處理器中,采用五級流水線位基本結(jié)構(gòu),使用靜態(tài)預(yù)測機制,舍棄了經(jīng)典的RSIC處理器中使用的分支延時槽技術(shù)。同時采用統(tǒng)一的精確同步異常處理方式,通過流水線空泡方法。在實現(xiàn)中斷和異常的處理中,犧牲一個時鐘周期的處理時... 

【文章來源】：安徽大學(xué)安徽省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

RISC-V微控制器五級流水線RTL圖

第三章RISC-V微控制器設(shè)計24的需求，在滿足正常的使用條件下，降低功耗與面積，采用經(jīng)典的五級流水線來設(shè)計，RTL如圖3.3所示。圖3.3RISC-V微控制器五級流水線RTL圖本文的RISC-V微控制器結(jié)構(gòu)與大多數(shù)流水線結(jié)構(gòu)類似，分為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回五個部分。其中取指單元包括了PC計數(shù)器，以及指令的靜態(tài)預(yù)測單元，譯碼部分包括了32個32位整數(shù)計數(shù)器。最終在進(jìn)行代碼綜合，通過modelsim進(jìn)行仿真如圖3.4所示�？梢钥闯鲈诘诙�個時鐘周期的時候，處理器在進(jìn)行第一個指令譯碼的同時也在進(jìn)行第二條指令的取指操作。圖3.4RISC-V微控制器五級流水線模擬仿真圖3.2微控制器取指電路設(shè)計“取指”通常位于處理器流水線的第一級，通常由取指單元IFU(InstructionFetchUnit)來完成，本文的微控制的取指單元結(jié)構(gòu)主要由PC計數(shù)器，以及指令預(yù)測器來完成。對于本文的微控制器，由于指令存儲器ROM的位寬為32位，故可通過順序取指的方式來完成，其每變化一個PC地址，均可取出四個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此，在進(jìn)行順序取指時，PC計數(shù)器的每次自增值為1。

安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文25本文設(shè)計的控制器取指單元包括指令預(yù)測電路，PC計數(shù)器電路和指令存儲器ROM三部分組成，其中指令靜態(tài)預(yù)測電路接收指令譯碼單元和指令執(zhí)行單元的反饋信息，并及時更新PC值。同時發(fā)生指令預(yù)測錯誤時，進(jìn)行流水線沖刷。其基本結(jié)構(gòu)的RTL如圖3.5所示。圖3.5微控制器取指單元RTL圖1）預(yù)測電路設(shè)計指令預(yù)測電路為取指單元中最為復(fù)雜的電路，它需要時刻關(guān)注當(dāng)前指令的執(zhí)行情況，并對下一條待執(zhí)行的指令進(jìn)行預(yù)測，其主要功能為：控制PC計數(shù)器的輸出，并根據(jù)當(dāng)前的PC值，得出下一條要執(zhí)行的指令。根據(jù)指令執(zhí)行情況，接收譯碼單元和執(zhí)行單元的信息，及時調(diào)整下一條PC的值。當(dāng)遇到指令預(yù)測失敗或中斷和異常時，產(chǎn)生流水線沖刷請求，并記錄當(dāng)前的PC值，并讀取相應(yīng)的CSR的值，通過一定的計算，把它作為新的PC值進(jìn)行取指。根據(jù)前面所述，預(yù)測電路分為動態(tài)預(yù)測和靜態(tài)預(yù)測，但根據(jù)應(yīng)用場景的不同，采用的預(yù)測方式也有區(qū)別。動態(tài)預(yù)測由于精度高，常用于多級流水線且對性能要求很高的處理器中。但由于其設(shè)計復(fù)雜，需要的邏輯單元較多，因此需要犧牲一定的面積，其邏輯數(shù)量甚至多到不得不單獨把它作為流水線中的某一級。而靜態(tài)電路在算法和設(shè)計上簡單，因此需要的邏輯單元非常少，因此在如本文的低功耗和對性能要求不高的處理器中常使用靜態(tài)預(yù)測方式。在RISC-V指令集中，總共有8條跳轉(zhuǎn)指令，其中2條無條件跳轉(zhuǎn)指令總是跳轉(zhuǎn)，剩下的6條指令需要等指令到執(zhí)行單元執(zhí)行后才能知道是否需要跳轉(zhuǎn)。因此可以通過最簡單的預(yù)測設(shè)計，即只要是跳轉(zhuǎn)指令均預(yù)測其為不跳轉(zhuǎn)，等待執(zhí)行單元的結(jié)果，若預(yù)測

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本文編號：2963691