0 引言

    集成電路產業是國家戰略性產業，是推動信息產業發展的源泉和動力，而我國集成電路產業發展嚴重滯后^[1]。在各行各業需求量與日俱增的處理器領域，ARM處理器在嵌入式領域占主導地，Intel x86架構處理器在桌面和服務器領域占據著壟斷地位^[2]。RISC-V指令集是加州大學伯克利分校于2014年設計并發布的一款開源指令集架構^[3]，具有免費開放、短小精悍、性能優越三大特征，可以被任何學術機構或商業組織自由使用，能夠滿足從微控制器到超級計算機等各種應用的需求^[4]。RISC-V的出現可能改變由ARM和Intel x86主導處理器架構的競爭格局^[5]。

    流水線是處理器設計最重要的環節之一，嚴重影響著處理器的運算速度和運算模塊的張度。早期的經典流水線是五級流水^[6]，分別為取指、譯碼、執行、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?，F代的高性能處理器相比最早期的處理器往往具有更深級別的流水線。流水線的級數越多，流水線被切得越細，每一級流水線內容納的硬件邏輯越小，進而吞吐率性能更佳，這是流水線深度加深的正面意義^[7]。但由于級數加深，會消耗更多的寄存器，帶來更多的面積開銷，同時對于分支預測失敗只能采取沖刷流水線的方法解決，浪費了處理器性能。因此，流水線的深度要根據不同的應用場景選擇，本設計采用三級流水線結構，以在兼顧處理器功能的前提下實現低功耗的設計目標。

    基于以上背景，本研究在分析了RISC-V指令系統的基礎上，使用Verilog語言分別設計了RISC-V處理器的取值單元、譯碼單元和執行單元，最終實現了一款基于RISC-V指令集的32位三級流水處理器，并使用RV32I整數運算指令集對處理器進行了仿真驗證，達到預定目標。

論文詳細內容請下載http://www.cowatch.cn/resource/share/2000002789

作者信息:

折如義1，李炳輝2，姜佩賀2

(1.河套學院 理學院，內蒙古 巴彥淖爾015000；2.煙臺大學 光電信息科學技術學院，山東 煙臺264005)