基于FPGA的自定义CPU架构设计

Posted 2021-04-11 电子技术应用ChinaAET

摘要： 为满足当前工业应用下越来越多的分布式计算的需求，提出了一种在FPGA芯片中构建自定义指令集的CPU的方式，以此来使FPGA具有类似于单片机的处理指令的能力。并且，这种能力的前提是复用计算单元，因此资源消耗有限，不会随着计算量的增加而增大。在自定义指令集CPU的改进型架构中，使用了并行计算的结构，使得运算速度大幅提升。最后，结合实际应用案例，移植电流环计算中的FOC算法到自定义CPU中运算。并用ModelSim软件进行仿真，测试其计算时间仅需7.48 μs。

中文引用格式： 李俊，任连新，廖振雄. 基于FPGA的自定义CPU架构设计[J].电子技术应用，2020，46(5)：40-43，49.

0 引言

    在目前的工业应用环境下，许多的工业设备控制器中都包含有相当复杂程度的算法。例如：状态观测器、卡尔曼滤波器、模糊控制算法、甚至是神经网络算法，不一而足。其中有些算法计算步骤复杂，同时又对控制带宽有一定的要求，所以对设备的处理器芯片的运算能力要求很高。因此，有些设备中可能会同时存在2个甚至多个处理器，分别完成不同的功能算法。这样多个处理器分布式地处理不同的算法，完成不同的控制功能，无疑是一个解决思路。但是这又会带来IC数量增加，成本上升的问题。同时，现在的工业设备控制器的主控PCB上的集成度越来越高，在上面增加IC对硬件设计也是一种挑战。

    现在许多设备控制主板上都会使用芯片来对外部信号做预处理。本文旨在提供一种在FPGA内构建精简架构的CPU，使其可以具备算法处理能力的方法。这样，在不额外增加处理器的前提下，可以让FPGA也承担一部分的计算任务^[1]。

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作者信息:

李  俊1，任连新2，廖振雄3

(1.深圳市合信自动化技术有限公司，广东 深圳518055；

2.华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州510640；3.深圳市科创思科技有限公司，广东 深圳518055)