基于risg-v指令集微处理器的运算模块设计

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1、分类号UDC密级公开硕士研究生学位论文基于RISC-V指令集微处理器的运算模块设计申请人:关文博学号:2151260培养单位:电子工程学院学科专业:微电子学与固体电子学研究方向:集成电路设计指导教师:张振辉教授完成日期:2018年04月20日中文摘要目前IC行业发展迅速，芯片的IP核研发越来越受到重视，同时开源的指令集架构芯片设计成为主流方向，所以基于RISC-V指令集CPU的研发已经成为各大传统IC公司和高校机构发展的主要方向。处理器中最重要的是运算模块，所以RISC-V处理器的运算能力显得尤为重要，本文重点对运算模块进行设计。本文的运算模块设计是按照先局部后总成的方法进行设计实现的。先

2、从运算模块的各个功能模块逐一设计，最后总成仿真并且移植到开源RISC-V指令集架构IP核上进行实体验证。本文采用处理器惯用的流水线结构，本文的运算模块运用RISC-V指令集设计了主要包括组合逻辑单元中的桶式移位器，ALU中的四则运算器。算术逻辑单元中我们采用了资源共享的优化方法，对单元中所有的逻辑公式进行变换，设计了基于资源共享的算术逻辑单元。在运算器方面，我们在乘法运算中加入目前最有效率的Bussalgorithm。在乘加方面，本文运用了Wallacestructure，这也使本文设计的运算模块速率大大提高。在一个时钟周期87.779ns内，饱和流水频率12.376MHz下平均每秒执行1

3、2376238条指令。关键词：CPU；精简指令集；RISC-V；加法器；减法器；-I-AbstractAtpresent,theICindustryhasdevelopedrapidly,andtheIPnuclearresearchanddevelopmentofthechiphasbeenpaidmoreandmoreattention.Atthesametime,thedesignoftheopensourceinstructionsetarchitecturechiphasbecomethemainstream.Sotheresearchanddevelopmentbasedont

4、heRISC-VinstructionsetCPUhasbecomethemaindirectionofthedevelopmentofthemajortraditionalICcompaniesandinstitutionsofhigherlearning.Themostimportantpartoftheprocessoristheoperationmodule,sothecomputingpoweroftheRISC-Vprocessorisparticularlyimportant.Thispaperfocusesonthedesignoftheoperationmodule.Th

5、edesignofoperationmoduleinthispaperisdesignedandimplementedaccordingtothemethodofpartiallocalassembly.First,eachfunctionalmoduleoftheoperationmoduleisdesignedonebyone,andthefinalassemblyissimulatedandtransplantedtotheopensourceRISC-VinstructionsetarchitectureIPcoreforentityverification.Thispaperus

6、esthepipelinedstructureusedbytheprocessor.TheoperationmoduleofthispaperusestheRISC-Vinstructionsettodesignthebucketshifterinthecombinationallogicunit,theadderandmultiplierinthearithmeticlogicunit.Barrelshifterusestwoschemes:fulldecodeandpartialdecoding,andselectsthefasterfulldecodingmode.Inthearit

7、hmeticlogicunit,weadopttheoptimizationmethodofresourcesharing,transformallthelogicalformulasintheunit,anddesignthearithmeticlogicunitbasedonresourcesharing.Themultiplierusesanimprovedbase4Boothalgorithmtooptimize