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基于RISC-Ⅴ的陀螺控制算法扩展指令的设计与实现

基于RISC-Ⅴ的陀螺控制算法扩展指令的设计与实现

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作者：姜程苏州大学

学位级别：硕士

近年来,微机械陀螺被广泛应用于导航、惯性测量、姿态控制等领域,其精度和性能受到陀螺控制算法的影响。但是,微机械陀螺控制算法的硬件实现存在功耗大、通用性差的问题,同时,控制算法的通用方案存在大量的浮点和三角函数计算,硬件实现... 详细信息

近年来,微机械陀螺被广泛应用于导航、惯性测量、姿态控制等领域,其精度和性能受到陀螺控制算法的影响。但是,微机械陀螺控制算法的硬件实现存在功耗大、通用性差的问题,同时,控制算法的通用方案存在大量的浮点和三角函数计算,硬件实现较为复杂。因此,针对微机械陀螺控制算法硬件实现通用性差以及浮点、三角函数硬件实现难度高的问题,设计一款通用处理器有着重要的现实意义。鉴于RISC-Ⅴ开源指令集架构模块化、易扩展的特性,本文设计了一款基于RISC-Ⅴ架构顺序执行的32位五级流水线处理器,并搭载通用性较强的Wishbone总线及相关外设。处理器内核支持RISC-Ⅴ指令集架构中的I、M和F指令集,在内核的设计过程中解决了流水线的数据冲突、结构冲突以及控制冲突问题。针对微机械陀螺控制算法中存在的三角函数计算,本文在流水线增加坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,cordic)的运算单元,完成标量和向量类型的三角函数指令扩展,并对RISC-Ⅴ的工具链进行修改验证。第一,提出串行架构的cordic算法完成标量三角函数指令的硬件设计,以节省硬件资源消耗。第二,使用角度预处理和改进的角度编码算法优化迭代过程,大幅度降低迭代次数。第三,设计cordic算法的计算结果为单精度浮点格式,使其符合陀螺算法的计算环境。第四,增加向量类型的三角函数指令设计,提高cordic运算单元的吞吐量。基于上述软硬件设计,使用RISC-Ⅴ官方的测试指令集对处理器内核进行功能测试,结果显示本文设计的I、M和F指令集全部通过测试。接着在FPGA上以50MHz的时钟对设计的处理器进行原型验证,使用集成逻辑分析仪对处理器及外设进行功能仿真,验证了处理器及外设的实际上板功能。最后,对扩展的三角函数指令进行性能测试,得出本文的三角函数计算精度达到10-6,迭代周期从原来的21个周期减少至7～10个周期。相比于处理器使用传统的泰勒级数展开的方式计算三角函数,本文扩展的三角函数汇编指令数量约是传统计算方式指令数量的1/30,标量类型的三角函数指令计算速度约是传统计算方式的25倍,且精确度更高。对处理器进行综合后得出,完成五条三角函数指令的硬件设计后,FPGA的查找表资源仅增加了11.55%,未对硬件资源造成很大的负担。

关键词： RISC-Ⅴ处理器指令扩展微机械陀螺控制算法 cordic优化算法

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基于RISC-V架构三角函数协处理器的设计

基于RISC-V架构三角函数协处理器的设计

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作者：张志明东南大学

学位级别：硕士

三角函数运算在电机控制、航空导航等领域被广泛使用,在功耗和实时性有严格要求的应用背景中,仅仅依靠性能有限的嵌入式微处理器计算三角函数会面临实时性不高的问题。在微处理器中,采用三角函数硬件加速器是一种常见的提高运算速度,降... 详细信息

三角函数运算在电机控制、航空导航等领域被广泛使用,在功耗和实时性有严格要求的应用背景中,仅仅依靠性能有限的嵌入式微处理器计算三角函数会面临实时性不高的问题。在微处理器中,采用三角函数硬件加速器是一种常见的提高运算速度,降低功耗的方法。目前,基于RISC-V开源指令集的微处理器得到业内越来越广泛的应用。因此,研发基于RISC-V架构的三角函数协处理器对于进一步扩展应用领域有着重要的实用意义。本文采用cordic(Coordinate Rotation Digital Computer)算法进行三角函数的计算,数据以24位定点数方式输入,单精度浮点数方式输出。首先对输入角度进行压缩,减小输入角度的范围,提高算法运算速度。其次通过寻找剩余角的最高非零位,并与对应常数角比较,减少了选择迭代次数电路的面积。然后根据所需精确度,选择对应的缩放因子进行补偿,减少了缩放因子的补偿次数。最后,本文使用RISC-V架构的HBirdv2E203作为主处理器,设计正弦和余弦三角函数指令,通过主处理器NICE接口实现了协处理器功能。验证方案根据所设计的指令,验证处理器是否具有三角函数计算功能。验证结果显示处理器实现了三角函数计算,计算结果的精度达到10,最差情况下计算时间为0.44us。所设计的cordic算法硬件部分选择SMIC 40nm工艺进行逻辑综合,综合结果满足50MHz频率下的时序要求,其功耗约为0.2m W,面积约为12000um。

关键词： RISC-V架构协处理器 cordic优化算法 NICE接口

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基于ARM v8架构的函数浮点协处理器设计

基于ARM v8架构的函数浮点协处理器设计

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作者：季宇航安徽大学

学位级别：硕士

在电机旋转和光伏逆变器等领域,需要大量计算复杂函数。在高实时性的应用场景中,微处理器的性能往往无法满足函数的计算需求。因此,业内普遍采用在微处理器中添加协处理器的方式提升微处理器的计算效率。目前,基于ARM v8架构的协处理器... 详细信息

在电机旋转和光伏逆变器等领域,需要大量计算复杂函数。在高实时性的应用场景中,微处理器的性能往往无法满足函数的计算需求。因此,业内普遍采用在微处理器中添加协处理器的方式提升微处理器的计算效率。目前,基于ARM v8架构的协处理器设计获得了领域内日益普遍的关注。因此,开发基于ARM v8架构的多函数运算浮点协处理器对于诸多应用领域的发展和延伸具有深刻的实用意义。本文的主要研究内容如下:（1）本文提出高实时性的基于Zero-Skipping技术优化cordic算法,实现Sin函数、Cosine函数、Arctan函数、Arctan2函数以及Square root函数的计算。输入数据采用单精度浮点数格式,迭代过程采用27位定点数,减少了迭代电路的面积。对正弦函数、余弦函数以及反正切函数的实现方案,首先对输入角度进行区间转换,扩大可计算角度范围以提高算法运算速度;然后通过优化特殊角的迭代次数,减少了迭代电路的计算延迟;根据所需精度,选择对应的伸缩因子进行补偿,解决了由于迭代次数不固定导致的补偿因子不确定的问题;对四象限反正切函数的实现方案是使用高实时优化的cordic算法取代了除法器,以提高运算精度。对平方根函数的实现方案是利用浮点数指数特性简化输入,再将剩余部分转化为定点数的方案。（2）本文使用ARM v8架构的Taishan 400作为主处理器,设计了Sin函数、Cosine函数、Arctan函数、Arctan2函数和Square root函数控制指令,再依据高实时优化方案完成了协处理器各子模块的电路设计。（3）本文依据所设计的指令,制定了验证方案,以验证协处理器是否具有Sin、Cosine、Arctan、Arctan2和Square root等函数的计算功能。本文最终完成了基于ARM v8架构的函数浮点协处理器的设计与实现。经过验证,处理器可以完成五种函数计算,其精度可达10-7,而且最长的路径计算时间为0.107μs。硬件部分采用UMC 28 nm工艺实现电路综合,工作频率达到150 MHz,其平均功耗约为0.43655 m W,而且面积小至5411.07μm2。所设计的协处理器与国内外先进技术相比具有高精度,高实时性,低功耗的特点。

关键词：三角函数反三角函数 ARM v8架构协处理器 cordic优化算法

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