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基于RISC-V的SOPC电子系统设计实验研究_叶朝辉.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-07-14 作者简介:叶朝辉(1968),女,湖南望城,博士,副教授,副所长,主要从事电子技术及应用研究,。引文格式:叶朝辉,张仁刚,赵腾浩,等.基于 RISC-V 的 SOPC 电子系统设计实验研究J.实验技术与管理,2023,40(11):71-75.Cite this article:YE Z H,ZHANG R G,ZHAO T H,et al.Experiment
2、al study on design of SOPC electronic system based on RISC-VJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):71-75.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.012 基于 RISC-V 的 SOPC 电子系统设计实验研究 叶朝辉,张仁刚,赵腾浩,程雪珂(清华大学 自动化系,北京 100084)摘 要:该实验设计在电子系统设计相关教学中引入嵌入开源软核微处理器的片上可编程系统 SOPC
3、(system on programmable chip)技术,不仅能够让更多学生学习集成电路初步设计方法,而且能够通过自主设计 SOPC系统培养其创新能力。该文首先对 SOPC 电子系统设计的现状进行了分析,提出了基于 RISC(reduced instruction set computer)-V 开放指令集架构的微处理器进行 SOPC 系统设计教学,之后介绍了 RISC-V 微处理器的选择和移植方法,最后介绍了基于 RISC-V 微处理器的四个层次的实验设计原则和设计出的具体实验项目。关键词:电子技术;RISC-V 微处理器;SOPC 电子系统设计;实验项目 中图分类号:G642.0 文
4、献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)11-0071-05 Experimental study on design of SOPC electronic system based on RISC-V YE Zhaohui,ZHANG Rengang,ZHAO Tenghao,CHENG Xueke(Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:This experimental design introduces the system on programmable chi
5、p(SOPC)technology embedded in open-source soft core microprocessors in electronic system design related teaching,which not only enables more students to learn the preliminary design methods of integrated circuits,but also cultivates their innovative ability through self-designed SOPC systems.This ar
6、ticle first analyzes the current status of SOPC electronic system design and proposes a microprocessor based on RISC(reduced instruction set computer)-V open instruction set architecture for SOPC system design teaching.Then introduces the selection and porting methods of RISC-V microprocessors,and f
7、inally introduces the four levels of experimental design principles and specific experimental projects designed based on RISC-V microprocessors.Key words:electronic technology;RISC-V microprocessor;SOPC electronic system design;experimental projects 1 背景 随着智能技术的发展,作为智能系统硬件核心的电子系统应用越来越广泛,对电子系统设计人才的需求
8、非常大,特别是高端设计人才。现代电子系统通常以片上系统 SoC(system on chip)为核心进行设计。由于 FPGA 具有灵活设计和可在系统编程特点,越来越多地应用在 SoC 系统设计中,形成片上可编程系统 SOPC。SOPC 通常是指基于现场可编程门阵列 FPGA(field programmable gate array)的带 1 个或多个软核或硬核微处理器以及一些外围设备的片上系统 SoC。SOPC 也是一种特殊的嵌入式系统,既具有微处理器处理能力强大的优势,又具有 FPGA 设计方式灵活和在系统可编程的优势,因此利用 SOPC 设计电子系统的应用越来越多。例如文献13分别介绍了
9、基于SOPC 的嵌入式网络服务器、生物医学应用和图像处理应用。SOPC 在教学实验中也发挥着重要作用,例如文献45采用 SOPC 进行计算机结构或微处理器72 实 验 技 术 与 管 理 教学,文献68采用 SOPC 进行电子系统设计教学。SOPC 内部既可以嵌入功能固定的硬核微处理器,也可以嵌入功能可通过软件设计和定制的软核微处理器。例如,文献6和8分别采用 MIPS 软核微处理器和NIOSII软核微处理器进行了SOPC电子系统设计实验。采用软核微处理器设计 SOPC 系统,不仅能培养学生的系统设计能力,还能让学生了解集成电路的设计方法,因为设计 SoC 芯片的原型和验证通常可以利用 FPG
10、A 完成。MIPS、NIOSII 是经典的 RISC 指令集架构,特点是简单、清晰、规则,且具有广泛的教学资源和案例。但 NIOSII 微处理器不是开源的微处理器,实际应用需要授权,非常不方便;MIPS 虽然目前开源,但没有成为学术研究的重点。而新兴的开源 RISC-V 微处理器的出现,使我国在高端处理器领域的发展迎来机遇,受到广泛欢迎。研究基于 RISC-V 微处理器的 SOPC电子系统设计实验并开设相关课程,具有重要意义。2 国内外相关课程调研 RISC-V 是一种新的开放指令集架构,由加州大学伯克利分校于 2010 年首次发布9。它基于精简指令集计算 RISC 的架构,具有开源、简洁、易
11、扩展、高效、灵活等特点,可以支持多种扩展指令集和自定义指令集。近年来,RISC-V 受到国内外学术界和工业界的广泛关注和研究。目前已有一些基于 RISC-V 的开源微处理器。RISC-V 指令架构不仅在各个领域取得了广泛成功,同时也成为教育领域的新选择,可以让学生掌握最新的技术发展和趋势,培养创新思维和实践能力。通过调研发现,目前仅有针对 RISC-V 微处理器的计算机结构课程,还没有基于 RISC-V 微处理器的SOPC 电子系统设计课程。例如文献1016是计算机结构课程基于 FPGA 平台设计一个 RISC-V 微处理器系统或计算机系统,侧重于培养学生对微处理器结构或计算机结构及外设的认识
12、和理解。因此,研究基于RISC-V 微处理器的 SOPC 电子系统设计实验并开设相关课程,具有实际意义。3 RISC-V 微处理器的选型 随着众多商业公司和科研机构加入到 RISC-V 开发和设计竞争中,涌现出多个 RISC-V 开源版本和商用知识产权。目前已有多款相对成熟的 RISC-V 微处理器投入商业使用或学术研究。这些微处理器可分为以下两类。(1)一类是开源或不开源的,但结构比较复杂,功能强、性能高,对于初学者来说要求较高,不太适合于电子系统设计教学。这类微处理器包括:美国加州大学伯克利分校发布的基于 RISC-V 指令集架构的开源微处理器 Rocket 和 BOOM,SiFive 公
13、司于 2016 年发布的不开源的商用 RISC-V 片上系统 SiFive FE310,阿里巴巴旗下半导体公司于 2019 年发布的玄铁 910微处理器,以及 Green Waves GAP8、Espressif ESP32、PULPino 等非开源的 RISC-V 指令集架构微处理器等。(2)第二类是开源且结构不太复杂的微处理器,适合于教学应用。例如,目前国内领先的 RISC-V IP和解决方案公司芯来科技公司开发的 RISC-V 微处理器蜂鸟 E203 微处理器,主要面向低功耗应用,支持自选的指令集,支持通过协处理器进行硬件加速,且具有丰富可自定义的接口等,适合于教学应用。4 RISC-V
14、 微处理器的移植 本文选择蜂鸟 E203 微处理器和赛灵思公司的ZYNQ 7000 系列 FPGA 开发板进行 SOPC 电子系统设计教学。首先需要将蜂鸟 E203 微处理器移植到 ZYNQ 开发板上,使用的软件平台包括 Xilinx 公司推出的集成设计环境 Vivado,以及芯来科技推出的集成开发环境Nuclei Studio,在调试过程中使用 RISC-V 配套的 GNU工具链。移植方法分为以下四个步骤。(1)进行片上系统的顶层设计。在顶层中需要完成处理器核心的例化,输入/输出接口说明和内部信号声明等。该步骤在 Vivado 集成开发环境中完成。(2)引脚约束和布局布线。将顶层设计中的输入
15、/输出接口绑定到 FPGA 开发板的指定管脚,如时钟信号引脚、调试信号引脚、自定义扩展引脚等。(3)仿真验证。在集成设计环境中执行项目的行为级仿真,观察设计的微处理器系统在执行程序过程中各信号是否按照期望的方式变化,确保设计能够实现目标功能。(4)上板测试。将 FPGA 与电脑进行硬件连接,如图 1 所示,将设计下载到 FPGA 开发板上,然后进行软件测试。软件测试在 Nuclei Studio 集成开发环境中完成,运行用于测试的 HelloWorld 程序,评估系统的性能和功能。5 SOPC 教学实验设计 5.1 整体设计 以移植的微处理器为核心,设计了一系列 SOPC教学实验,使学生能够通
16、过实践操作,掌握 RISC-V微处理器和 SOPC 设计的基本知识和技能,培养综合 叶朝辉,等:基于 RISC-V 的 SOPC 电子系统设计实验研究 73 图 1 FPGA 实验板硬件连接示意图 设计能力和创新能力。实验内容的设计主要有以下几点考虑。(1)充分利用蜂鸟 E203 处理器的计算能力,以及 FPGA 的灵活性和可编程特点。(2)从简单到复杂、从基础到综合,分层次地设计不同难度和不同复杂度的实验项目,使学生能够循序渐进地学习和探索。(3)结合实际应用场景,针对电子系统常用的计算、测量、控制、通信等应用领域,利用不同类型的外设和传感器,设计综合实验和创新实验,使学生能够将理论知识和实
17、际应用相结合,提高解决问题的能力和创新意识。基于以上分析,实验分为四个层次,分别为基本实验、提高实验、综合实验和创新实验。基本实验的目的是使学生熟悉微处理器的基本功能,包括 GPIO端口、PWM、中断的应用;提高实验的目的是使学生熟悉 SOPC 的设计及较复杂的应用,包括串口通信和二维数组求和协处理器(通过硬件模块加速计算);综合实验的目的是使学生熟悉 SOPC 的实际应用,包括超声波测距、舵机控制、蓝牙通信、手写体识别;创新实验则让学生进行自主设计,如学生可以用综合实验中的模块组成机器人、机械手、智能小车等控制系统。5.2 基本实验 1)GPIO 控制 LED 闪烁。该实验利用开发板上的按键
18、控制 LED 灯闪烁。首先在 Nuclei Studio 中创建项目,在主文件中导入蜂鸟 E203 SDK 的硬件抽象层头文件“hbrid_sdk_ hal.h”,该文件包含了开发板的通用宏定义和底层的用户使用接口。之后修改 GPIO 的掩码定义,将用户按钮和 LED 的掩码位置设置为约束文件中对应的编号。接下来分别调用函数“gpio_enable_input/output”使能处理器通过 GPIO 完成信号输入和输出,最后通过编程实现按键控制 LED 灯闪烁。2)PWM 控制 LED 实现“呼吸灯”。脉冲宽度调制 PWM 是一种常用开关信号输出控制模块,可以通过调节开关信号的占空比来改变平均
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