0 引言

    集成電路產(chǎn)業(yè)是國家戰(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)布的一款開源指令集架構(gòu)^[3]，具有免費(fèi)開放、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)的競爭格局^[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、訪存和寫回，流水線的長短不僅僅影響吞吐率而且影響面積開銷。現(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，帶來更多的面積開銷，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)