面向步進電機控制的RISC-V微控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

唐 釧，劉 昱，曾 林

(1.天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津 300072；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100089)

步進電機是一種將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移的機電元件，具有運動精確、易于控制、響應(yīng)迅速等特點，廣泛應(yīng)用于自動控制等領(lǐng)域[1]。步進電機控制器一般以數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)芯片和ARM架構(gòu)的微控制器(MCU)為核心[2-4]，其優(yōu)點在于硬件結(jié)構(gòu)成熟，功能設(shè)計完備。但是，這種方案的基礎(chǔ)軟硬件平臺的版權(quán)大多屬于商業(yè)公司，有嚴(yán)格的使用限制或源碼不公開以及需要版稅等問題。在嵌入式軟核處理器中，具有代表性的有Intel公司的NIOSⅡ軟核和Xilinx公司的MicroBlaze軟核[5-6]，在滿足性能的同時，也簡化了開發(fā)流程，但是都局限于自家廠商的開發(fā)套件，通用性不高，并且無法更改軟核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不利于深入研究和開發(fā)。

為了構(gòu)建步進電機控制技術(shù)方案，設(shè)計了基于RISC-V指令集架構(gòu)的微控制器。一方面，RISC-V開源指令集具有免費開放、架構(gòu)精簡、模塊化、可擴展等優(yōu)勢[7]；另一方面，將處理器、存儲器、總線以及其他IP核集成到單一的FPGA芯片上，能夠減少系統(tǒng)的物理組件數(shù)，方便不同應(yīng)用領(lǐng)域的差異化設(shè)計。目前，國內(nèi)外關(guān)于RISC-V處理器在電機控制器中的應(yīng)用相對較少[8-9]，且大部分都集中在商用領(lǐng)域。

1 RISC-V微控制器設(shè)計

1.1 RISC-V指令集介紹

開源指令集，比如OpenRISC、OpenSPARC和MIPS R6等，由于指令集設(shè)計的不完備、碎片化以及運營模式等原因無法廣泛持續(xù)地生存下去。美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，設(shè)計RISC-V開源指令集[10-11]。RISC-V指令集具有模塊化、架構(gòu)精簡、安全、無需向后兼容、可擴展等特點。……