【摘 要】
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在数字电路中,控制设备是整个设计的一个重要的环节。在现代化的设计中,一般都会选择采用微控制器（MCU）作为控制模块,并且也占有很大的市场分额。但目前国产的MCU竞争力稍显不足,对于MCU的深入研究也显得十分必要。本文主要内容为基于高层次设计的MCU的研究,使用更加抽象的硬件描述语言（CHISEL）与各种EDA工具的相互协同完成工作。目前,大部分的MCU都选用Cortex系列的芯片实现控制功能。但是
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在数字电路中,控制设备是整个设计的一个重要的环节。在现代化的设计中,一般都会选择采用微控制器（MCU）作为控制模块,并且也占有很大的市场分额。但目前国产的MCU竞争力稍显不足,对于MCU的深入研究也显得十分必要。本文主要内容为基于高层次设计的MCU的研究,使用更加抽象的硬件描述语言（CHISEL）与各种EDA工具的相互协同完成工作。目前,大部分的MCU都选用Cortex系列的芯片实现控制功能。但是,随着全球的需求量不断增加,许多企业都纷纷投入设计制造后,ARM等闭源处理器架构的弊端也在近几年显现出来了。一方面,其授权费用极高,一般的企业难以承担;另一方面,主动权始终掌握在别人手中,自身的发展很容易受到限制。本文的处理器核采用的是一款近几年兴起的指令集架构:RISC-V。这款指令集架构有着开源的特性,并且架构设计简洁,适合开发与研究使用。在研究的过程中,首先对RISC-V架构以及CHISEL硬件设计语言进行了分析,同时搭建了适用于RISC-V架构的编译平台以及适用于CHISEL硬件描述语言的编译平台。然后从RISC-V官网选取了基于Verilog描述的处理器核,分析内部工作原理后采用CHISEL实现对应的功能。在设计的过程中进行逻辑优化,并且进行功能仿真测试。除此之外,采用55nm工艺库进行逻辑综合,实现CHISEL设计与原版设计的对比。并且将代码移植至Zedboard平台进行了FPGA的测试与对比。最后,对RISC-V的自定义指令进行了研究,添加了单周期乘法累加指令,并且配置对应的编译工具与硬件设计,对自定义指令进行了测试。通过本文的研究工作,完成了基于CHISEL语言的MCU的设计,并且完成了各项指令测试以及外设的功能测试,实现了MCU的软核设计。在55nm工艺库的综合测试中,综合面积基本相同,CHISEL设计下的内核工作频率更高,性能相较于原版设计有较大提升。在Zedboard的测试中,设置相同频率,CHISEL设计比原版设计占用的资源更少。在最终的自定义指令研究中,采用内联汇编的方式生成指令测试程序,并且成功通过测试,验证了自定义指令的功能的正确性。
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