基于RISCV内核的MCU设计与应用

论文总字数：20452字

摘 要

自摩尔定律失效以来，半导体制造工艺前进速度放缓，中低端制程制造成本下降。另一方面计算需求日益复杂，通用芯片难以实现。这使得专用芯片逐渐参与到产品设计中，高额的IP授权费促使开源芯片设计逐渐发展起来。RISCV作为一款开源指令集架构，得到众多厂商和开发者的青睐。再加上其优秀的设计理念和不俗的性能。RISCV架构的处理器必定会在不久的将来收获更多的用户量。

本设计基于开源RISCV内核，加入通用MCU的外设，设计了一款RISCV架构的片上可编程系统。并将其作为测试例程运行在自制的国产开源SoC验证设计平台上。

本文主要阐述了整个开源SoC验证设计平台的软硬件设计方案。重点讨论了RISCV指令集架构下处理器的工作原理以及SoPC的设计思路与方法。最后对SoC的一些外设进行了介绍与测试，并对将来的开源芯片发展进行展望。

关键词：RISCV；SoPC；ISA； 开源芯片设计； FPGA； GCC工具链； Bootloader

Design and application of MCU Based on RISCV core

Abstract

Since the failure of Moore"s Law, the semiconductor manufacturing process has slowed down and the manufacturing costs of the low-end process have declined. On the other hand, with the increase of the computing needs , and general-purpose IC are difficult to implement. This makes the ASIC gradually participate in product design, and the high IP licensing fee has led to the development of open source chip design. As an open source ISA, RISCV is favored by many manufacturers and developers. With the excellent design concept and high performance, Processors based on RISCV will certainly gain more users in the near future.

This design is based on the open source RISCV core, adding peripherals which a general MCU have, to designing an SoPC of RISCV architecture. And run it as a test routine on a self-made domestic open source SoC verification design platform.

This paper mainly describes the open source SoC verification design platform from hardware and software. The working principle of the processor under the RISCV ISA and the design ideas and methods of SoPC are discussed. Finally, some peripherals of SoC are introduced and tested, and the future development of open source chips is expected.

Keywords：RISCV; SoPC; ISA; Open source chip design; FPGA; GCC; Bootloader

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 2

1.3 论文主要工作安排 3

第二章 SoC测试平台的设计与制作 4

2.1 FPGA的LUT结构 4

2.2 国产自主知识产权FPGA的介绍 4

2.3 SoC测试平台的设计思路 4

第三章 RISC-V内核SoC在FPGA平台上的实现 6

3.1 ISA与RISC-V 6

3.2 RISC-V内核处理器的框架结构 7

3.3 RISC-V内核SoPC的构建 10

3.4 SoPC功能验证测试 11

3.5 基于AMBA总线架构的RISC-V SoC 15

3.5.1 AMBA总线优点 15

3.5.2 AMBA总线架构的RISC-V处理器设计 16

第四章 总线外设的设计与测试 17

4.1 UART外设的设计与测试 17

4.2 GPIO外设的设计与测试 18

4.3 VGA外设的设计与测试 18

第五章 结束语 20

5.1 总结 20

5.2 课题的进一步研究与展望 20

致 谢 21

参考文献 22

附 录 23

1. 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着微电子产业的迅速发展，单位面积硅集成电路上能够容纳的晶体管数量越来越多，功能也越来越强。以至于当代生活中的各类产品都已离不开集成电路技术。庞大的市场需求，促使微电子产业成为衡量一个国家最高科技水平的标准。我国的集成电路产业由于起步较晚，且集成电路产业技术难度高，研发投入昂贵。因此目前市场基本处于少数科技巨头的垄断之下，有统计数据表明，2018年，我国芯片产量23.8亿美金，仅占我国芯片市场155亿美金的15.3％。如此庞大的进口量，无疑增加了产品的安全性隐患。只有在核心的芯片设计领域不受制于人，才能确保经济的高速稳定发展。因为设计符合我国自身需求且安全可控的处理器是极为迫切的任务。

图1.1-1我国IC产量与IC市场增长图

处理器种类繁多，从最终执行的程序机器码可以分为CISC(Complex Instruction Set Computer)，RISC(Reduced Instruction Set Computer)和类RISC(RISC-LIKE)等不同指令集架构的处理器。采用CISC指令集的计算机可以轻松处理高级语言，提升计算性能，但其指令众多，设计复杂。采用RISC指令集的计算机则大大简化了指令数目，而对于复杂指令则需要相应程序来实现。两种指令集各有优劣。RISC-V的一个特点就在于其后发制人，不同于大多数诞生于上世纪70年代的指令集价格，RISC-V诞生于2011年，在继承了传统RISC指令集的优点之上，RISC-V相比传统RISC指令集处理器引入了更多数量的寄存器，使其在处理复杂指令时毫不逊与CISC。此外RISC-V作为为数不多的开源指令集其安全性与可靠性得到充分保障。

本课题主要目的是通过对RISC-V指令集的学习与研究，设计一款以RISC-V内核为基础的片上可编程系统（SOPC），并在自制的国产FPGA平台上测试验证。以确保从软件到硬件的全流程安全自主可控。

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