【摘 要】
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在智能电表领域,绝大多数公司选择ARM的Cortex-M系列处理器作为电表芯片的核心控制器件。但是,其作为通用型处理器,没有针对电能计量专用的运算指令,这导致当处理器执行电能计量运算程序时,整体系统能效比并不突出。本文基于开源的RISC-V指令集架构设计了一个专用于电能计量的嵌入式处理器,并构建了一个完整的微控制器（Microcontroller,MCU）,主要进行了以下研究和工作:（1）基于RV
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在智能电表领域,绝大多数公司选择ARM的Cortex-M系列处理器作为电表芯片的核心控制器件。但是,其作为通用型处理器,没有针对电能计量专用的运算指令,这导致当处理器执行电能计量运算程序时,整体系统能效比并不突出。本文基于开源的RISC-V指令集架构设计了一个专用于电能计量的嵌入式处理器,并构建了一个完整的微控制器（Microcontroller,MCU）,主要进行了以下研究和工作:（1）基于RV32IMC架构设计了一个处理器内核,该处理器内核采用五级流水线设计;分析并解决了流水线中可能存在的冲突问题;设计了一条专用于牛顿插值运算的扩展指令,相比于ARM的通用型处理器和普通RISC-V处理器提升了电能计量程序中计算准同步采样信号的运算效率。（2）设计了一个基于RISC-V核本地中断控制器扩展的快速中断响应系统。在标准CLIC的基础上,扩展了硬件自动保存、恢复现场和全局中断硬件屏蔽设计,支持自动的中断嵌套,缩短了中断响应时间,减少了软件的开销。除此之外,还增加了中断尾链设计,进一步提升了处理器响应中断的性能。（3）结合智能电表应用场景,构建了一个完整的电能计量MCU系统。整个系统由RISC-V处理器系统、总线系统和MCU外设三个部分组成。其中处理器内核、调试单元、CLIC和休眠唤醒控制器共同构成了RISC-V处理器。RISCV处理器通过AHB和APB总线以内存映射的方式与存储器和外设进行交互。（4）搭建MCU硬件电路仿真测试平台,对RISC-V处理器和中断系统进行功能测试。本设计的中断响应时间和Cortex-M3的相近,并且比采用标准CLIC的RISC-V处理器减少了近1/3;对比本设计与通用型处理器执行牛顿插值运算程序的时间开销,本设计的时间开销仅为通用型处理器的1/10;将MCU进行逻辑综合并在Xilinx Virtex Ultra Scale VU440 FPGA上实现,处理器的频率上限为76MHz,在FPGA上运行Coremark跑分程序的结果为2.539Coremark/MHz。
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