文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200028
中文引用格式: 折如義,,李炳輝,姜佩賀. 三級(jí)流水線RISC-V處理器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(5):44-49.
英文引用格式: She Ruyi,Li Binghui,,Jiang Peihe. Design and verification of RISC-V processor with three-stage pipeline[J]. Application of Electronic Technique,,2020,46(5):44-49.
0 引言
集成電路產(chǎn)業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),是推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源泉和動(dòng)力,,而我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后[1],。在各行各業(yè)需求量與日俱增的處理器領(lǐng)域,ARM處理器在嵌入式領(lǐng)域占主導(dǎo)地,,Intel x86架構(gòu)處理器在桌面和服務(wù)器領(lǐng)域占據(jù)著壟斷地位[2],。RISC-V指令集是加州大學(xué)伯克利分校于2014年設(shè)計(jì)并發(fā)布的一款開(kāi)源指令集架構(gòu)[3],具有免費(fèi)開(kāi)放,、短小精悍,、性能優(yōu)越三大特征,可以被任何學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或商業(yè)組織自由使用,,能夠滿足從微控制器到超級(jí)計(jì)算機(jī)等各種應(yīng)用的需求[4],。RISC-V的出現(xiàn)可能改變由ARM和Intel x86主導(dǎo)處理器架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)格局[5]。
流水線是處理器設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一,,嚴(yán)重影響著處理器的運(yùn)算速度和運(yùn)算模塊的張度,。早期的經(jīng)典流水線是五級(jí)流水[6],分別為取指,、譯碼,、執(zhí)行、訪存和寫(xiě)回,,流水線的長(zhǎng)短不僅僅影響吞吐率而且影響面積開(kāi)銷?,F(xiàn)代的高性能處理器相比最早期的處理器往往具有更深級(jí)別的流水線,。流水線的級(jí)數(shù)越多,流水線被切得越細(xì),,每一級(jí)流水線內(nèi)容納的硬件邏輯越小,,進(jìn)而吞吐率性能更佳,這是流水線深度加深的正面意義[7],。但由于級(jí)數(shù)加深,,會(huì)消耗更多的寄存器,帶來(lái)更多的面積開(kāi)銷,,同時(shí)對(duì)于分支預(yù)測(cè)失敗只能采取沖刷流水線的方法解決,,浪費(fèi)了處理器性能。因此,,流水線的深度要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇,,本設(shè)計(jì)采用三級(jí)流水線結(jié)構(gòu),以在兼顧處理器功能的前提下實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo),。
基于以上背景,,本研究在分析了RISC-V指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用Verilog語(yǔ)言分別設(shè)計(jì)了RISC-V處理器的取值單元,、譯碼單元和執(zhí)行單元,,最終實(shí)現(xiàn)了一款基于RISC-V指令集的32位三級(jí)流水處理器,并使用RV32I整數(shù)運(yùn)算指令集對(duì)處理器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,,達(dá)到預(yù)定目標(biāo),。
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作者信息:
折如義1,李炳輝2,,姜佩賀2
(1.河套學(xué)院 理學(xué)院,,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000;2.煙臺(tái)大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,,山東 煙臺(tái)264005)