Disseny, implementació i test del core d’un microcontrolador compatible amb PicoBlaze

Abstract

El document a continuació registra tot el procés realitzat per a construir la microarquitectura d’un microcontrolador totalment compatible amb el ja existent PicoBlaze del fabricant Xilinx. La intenció ha estat obtenir un disseny propi que sigui capaç de realitzar el mateix conjunt d’instruccions que el ja anomenat microcontrolador comercial. En aquest treball s’ha utilitzat llenguatge VHDL per a poder ser posteriorment emprat si es dona el cas en usos didàctics del laboratori de la universitat. La estructura i la metodologia escollides són les següents: Primer es defineixen una sèrie de conceptes necessaris per a entendre el procés seguit (sobre microcontroladors i la seva estructura), seguidament s’expliquen breument les eines i els programes emprats i es relata una petita investigació sobre microcontroladors semblants ja existents. Després es descriu pas a pas el disseny al complert del microcontrolador objectiu i es duen a terme una sèrie de proves de funcionament (mitjançant simulacions i una implementació física en FPGA) per a, finalment, realitzar un anàlisi econòmic i extreure unes conclusions generals.

El documento a continuación registra todo el proceso realizado para construir la microarquitectura de un microcontrolador totalmente compatible con el ya existente PicoBlaze del fabricante Xilinx. La intención ha sido obtener un diseño propio que sea capaz de realizar el mismo conjunto de instrucciones que el ya nombrado microcontrolador comercial. En este trabajo se ha utilizado lenguaje VHDL para poder ser posteriormente empleado si se da el caso en usos didácticos del laboratorio de la universidad. La estructura y la metodología escogidas son las siguientes: Primero se definen una serie de conceptos necesarios para entender el proceso seguido (sobre microcontroladores y su estructura), seguidamente se explican brevemente las herramientas y los programas empleados y se relata una pequeña investigación sobre microcontroladores parecidos ya existentes. Luego se describe paso a paso el diseño al completo del microcontrolador objetivo y se producen una serie de pruebas de funcionamiento (mediante simulaciones y una implementación física en FPGA) para, finalmente, realizar un análisis económico y extraer unas conclusiones generales.

The following document registers the whole process followed to build the microarquitecture of a fully compatible microcontroller with the already existing PicoBlaze from the maker Xilinx. The purpose has been to obtain a design of its own capable of accomplishing the same instruction set than the previously mentioned commercial microcontroller. VHDL has been the language used in this article in order to later be used if needed in didactic uses for the university’s laboratory. The chosen structure and methodology are the following: First a series of necessary concepts to understand the followed process are defined (about microcontrollers and their structure), followed by a brief explanation of the tools and programs used and a short investigation about similar existing microcontrollers. Then, step by step, the full process of designing the objective microcontroller is described. A series of functionality tests are made (using simulations and a physical implementation in a FPGA) in order to, finally, write an economic analysis and extract some general conclusions.