基于FPGA的RISC微處理器設(shè)計(jì)

陳劍鋒 學(xué)江煜 郭湘津

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)CISC指令集復(fù)雜、硬件開發(fā)難度大、運(yùn)行效率低、體系架構(gòu)復(fù)雜等關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的32位RISC微處理器。通過分析微處理器的基本架構(gòu)和流水線數(shù)據(jù)處理方法，基于VIVADO軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的RISC微處理器的軟核進(jìn)行了功能仿真驗(yàn)證，采用XC7A75T芯片為控制核心，完成了RISC處理器系統(tǒng)硬件搭建。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的RISC-CPU運(yùn)行穩(wěn)定，效率高，層次合理，能實(shí)現(xiàn)各種指令的預(yù)期功能，指令執(zhí)行速度快，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FPGA;RISC-CPU;MIPS指令集;流水線;嵌入式

中圖分類號(hào)：TP302.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0022-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.007

0? ? 引言

近年來，精簡指令集計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction

Set Computer，RISC）技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛，如手持電子設(shè)備、家用電器、工業(yè)控制、機(jī)器人等領(lǐng)域。以往的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）其復(fù)雜指令的使用率低，運(yùn)算速度慢，硬件架構(gòu)龐大，開發(fā)周期長，導(dǎo)致微處理器的總體性能下降，無法滿足處理速度快的高性能要求。RISC采用簡單的指令集系統(tǒng)，嵌入式處理，架構(gòu)簡潔，集成度高，不僅優(yōu)化了微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且縮小了體積，提高了性能，便于片上系統(tǒng)開發(fā)，靈活方便。因此，RISC微處理器的研究具有理論和實(shí)際意義。

目前，針對(duì)RISC微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

郝振和等人[1]提出了一種基于AHB總線的RISC-V微處理器，采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在功耗和性能上與Cortex-M0處理器相當(dāng)。

雷少波等人[2]采用4級(jí)流水線的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款16位RISC嵌入式微處理器，解決了硬件結(jié)構(gòu)在指令執(zhí)行過程中延遲的問題。

劉覽等人[3]提出了一種8級(jí)流水線的32位微處理器，解決了微處理器分支冒險(xiǎn)問題，并在FPGA硬件平臺(tái)和Quartus Ⅱ軟件平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。

黃旺華等人[4]基于FPGA流水線設(shè)計(jì)了一種RISC微處理器，針對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性的寫后讀問題，采用“旁路”技術(shù)來解決，提高了處理速度，其最高時(shí)鐘頻率達(dá)到74.59 MHz。

趙坤等人[5]基于FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的SoC-FPGA平臺(tái)，采用精簡3級(jí)流水線數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，帶有靜態(tài)分支預(yù)測(cè)功能，該SoC的工作頻率為50 MHz。

基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的32位RISC微處理器的設(shè)計(jì)，其目的在于簡化硬件電路結(jié)構(gòu)，提高計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度和系統(tǒng)運(yùn)行效率，將中央處理器（Central Processing Unit，CPU）擅長復(fù)雜流程控制和FPGA并行數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)相結(jié)合，使得微處理器架構(gòu)簡潔，指令集系統(tǒng)簡單，縮短硬件開發(fā)周期，降低硬件開發(fā)難度，提高CPU整體性能。

1  ? RISC-CPU體系結(jié)構(gòu)

1.1? ? RISC-CPU的基本架構(gòu)

本文采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)RISC微處理器設(shè)計(jì)[6]。如圖1所示，所設(shè)計(jì)的RISC微處理器主要由指令寄存器、程序計(jì)數(shù)器、地址多路器、狀態(tài)控制器、累加器、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)控制器、時(shí)鐘分頻器八大基本部件組成。其中，時(shí)鐘分頻器可為CPU各個(gè)部件提供時(shí)鐘源信號(hào)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。累加器用于存儲(chǔ)RAM傳輸來的數(shù)據(jù)信息和當(dāng)前的運(yùn)行結(jié)果。程序計(jì)數(shù)器在當(dāng)前的指令結(jié)束后，立即提供下一條指令的地址，保證指令有序執(zhí)行。

地址多路器中的每個(gè)指令周期共有8個(gè)時(shí)鐘，前面4個(gè)時(shí)鐘從ROM中讀取指令，后面4個(gè)時(shí)鐘則從RAM中讀取指令。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元主要用于處理操作碼信息，進(jìn)行基本邏輯運(yùn)算。

1.2? ? MIPS指令集

MIPS[7]（Million Instructions Per Second）是一種高效的指令架構(gòu)，其最大特點(diǎn)在于簡化了CISC的龐大指令集，在指令數(shù)目和格式上進(jìn)行了優(yōu)化，極大地提高了微處理器的數(shù)據(jù)處理效率。MIPS指令集的指令數(shù)量比較少，格式固定且整齊，縮短了指令的執(zhí)行時(shí)間，更易于在硬件上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水線處理。如圖2所示，MIPS32有三種指令機(jī)器碼格式，分別為R型（寄存器類型）、I型（立即數(shù)類型）和J型（跳轉(zhuǎn)類型）。MIPS架構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡潔、合理，內(nèi)核中可以加入自定義的指令，數(shù)據(jù)處理量大的任務(wù)由編譯器完成，從而保證了處理的高效性。

1.3? ? 流水線技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的RISC微處理器采用5級(jí)流水線的技術(shù)方案，能實(shí)現(xiàn)多條指令并行處理，提高了指令的執(zhí)行速度。5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，所謂“5級(jí)流水線”是指在執(zhí)行指令過程中需要經(jīng)過5個(gè)流水段，每個(gè)流水段完成不同的任務(wù)，分別為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回。假設(shè)，執(zhí)行5條指令，采用單時(shí)鐘周期執(zhí)行單條指令，則需要15T;若采用流水線技術(shù)，僅需9T就能完成。因此，相同時(shí)間內(nèi)，流水線技術(shù)提高了微處理器指令的執(zhí)行速度，可作為優(yōu)化微處理器性能的關(guān)鍵技術(shù)。

2? ? RISC-CPU系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中的FPGA芯片采用的是Xilinx公司開發(fā)的Artix-7芯片，型號(hào)為XC7A75T，該芯片邏輯單元豐富、數(shù)字運(yùn)算處理能力強(qiáng)、集成度高。如圖4所示，RISC-CPU的硬件系統(tǒng)以FPGA為控制核心，系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA芯片負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、管理系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作任務(wù)，保證系統(tǒng)有序運(yùn)行。SDRAM存儲(chǔ)器模塊是FPGA芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，其具有容量大、功耗低、讀/寫速度快的特點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)用廣泛;系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由LED指示燈模塊顯示;斷電保護(hù)采用EPCS接口模塊;JTAG接口模塊用于FPGA的程序下載、仿真和調(diào)試。

3? ? RISC-CPU系統(tǒng)的仿真測(cè)試

采用VIVADO 2014.3對(duì)所設(shè)計(jì)的RISC-CPU系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，由兩部分組成，其中cpu_top.v模塊為所設(shè)計(jì)的RISC-CPU，memoRy.v模塊為存儲(chǔ)模塊。

（1）R類型指令：圖5和圖6展示了為寄存器R0賦值立即數(shù)1 010和為寄存器R1賦值立即數(shù)1的過程。可以看出RISC-CPU讀取到對(duì)應(yīng)指令，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期后，對(duì)應(yīng)寄存器的值變?yōu)橛脩糁付ㄖ怠?/p>

圖7和圖8為寄存器之間數(shù)值的計(jì)算過程，圖7為將R0和R1寄存器的值累加送給R2，圖8為將R2寄存器的值和自身累加再送給R2（即R2的值翻倍）。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)讀取到加法命令后，R2的值變?yōu)镽0當(dāng)前值（1 010）加上R1當(dāng)前值（1）的結(jié)果，即1 011。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)讀取到加法指令后，R2的值從1 011翻倍為2 022。

（2）I類型指令：圖9和圖10展示了寄存器和存儲(chǔ)器之間交換數(shù)據(jù)的過程，圖9展示了將R0寄存器的值（1 011）送到存儲(chǔ)器地址4中，圖10展示了將存儲(chǔ)器地址4中的值讀出送給R1，再將R0和R1的值累加送給R2的過程。

（3）J類型指令：圖11和圖12展示了利用J類型指令實(shí)現(xiàn)當(dāng)R0=1時(shí)，給R2賦值2 021，否則賦值2 022的功能。圖11中，R0為1，利用J類型指令跳過了第四條指令的執(zhí)行，最終運(yùn)行結(jié)果R2=2 021。圖12中，R0為2，因此第四條指令照常運(yùn)行，最終運(yùn)行結(jié)果R2=2 022。

編譯結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的RISC-CPU層次合理，可以實(shí)現(xiàn)R類型、I類型和J類型指令的功能，CPU能正常運(yùn)行，指令執(zhí)行速度快。

4? ? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的RISC微處理器控制系統(tǒng)，采用MIPS32指令集和5級(jí)流水線技術(shù)簡化了硬件設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度快、性能高、可移植性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。并且在VIVADO軟件上對(duì)設(shè)計(jì)的功能和關(guān)鍵模塊進(jìn)行仿真、調(diào)試、驗(yàn)證，以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的RISC微處理器功能正常，主頻性能優(yōu)良，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、指令執(zhí)行、算術(shù)和邏輯運(yùn)算、與存儲(chǔ)器/外設(shè)交換數(shù)據(jù)等功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2022-02-23

作者簡介：陳劍鋒（1995—），男，福建泉州人，助教，研究方向：電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、機(jī)械工程。