Desenvolvimento de um System-on-Chip basedo em Microblaze para aplicações automóveis

Abstract

Hoje em dia deseja-se implementar num chip o maior número de funções possíveis, o que faz diminuir o número de microcontroladores necessários para uma determinada aplicação e assim a consequente diminuição de custos. O aparecimento das FPGAs de baixo custo nos últimos anos, levou à implementação de sistemas baseados em plataformas reconfiguráveis uma vez que as suas características permitem uma rápida prototipagem de diferentes implementações facilitando o desenvolvimento de vários projetos. A sua flexibilidade permite aos designers criar módulos customizáveis e específicos à aplicação. As FPGAs permitem a implementação de SoCs dedicados a aplicações onde métricas como desempenho, determinismo e time-to-market são muito importantes em sistemas de tempo real. A implementação de um SoC numa FPGA oferece um bom equilíbrio entre a flexibilidade de implementação e um rápido time-to-market. Esta dissertação passa por desenvolver um SoC orientado para aplicações automóveis. O SoC está dotado de um controlador de interrupções baseado no NVIC da ARM que permite o atendimento a interrupções com uma latência muito baixa e um array de timers baseado nos timers presentes no microcontrolador 32-bit TriCore™. A implementação destes periféricos permite a utilização deste SoC em aplicações automóveis devido ao determinismo que o mesmo oferece, bem como o seu desempenho. O processador do SoC desenvolvido é baseado no Microblaze, que segue uma arquitetura de processadores RISC como o DLX, um processador muito utilizado para o ensino ao longo dos anos. O processador implementa um datapath de cinco estágios de pipeline, de forma a aumentar o número de instruções executadas por unidade de tempo, possui uma hazard unit para resolver os problemas inerentes a uma implementação pipelined e um barramento para fazer a comunicação com os seus periféricos. O desenvolvimento desta dissertação é feito em paralelo com uma outra, onde foi desenvolvido o compilador que dá suporte ao SoC desenvolvido nesta dissertação. Várias decisões como o ISA foram tomadas em conjunto pelos dois responsáveis das duas dissertações.

Implementing a chip with a wide number of features reduces the number of microcontrollers required for a particular application and thus the project cost is reduced too. The advent of low cost FPGAs in recent years has led to the implementation of systems based on reconfigurable platforms since their features allow rapid prototyping of different implementations facilitating the development of various projects. FPGA's flexibility allows designers to create customizable and specific modules for an application. FPGAs allow the implementation of applicationspecific SoCs where metrics such as performance, determinism and time-to-market have a keyrole in real-time systems. The implementation of a SoC on a FPGA offers a good trade-off between implementation's flexibility and fast time-to-market. This dissertation presents a SoC developed targeting automotive applications. The SoC features an interrupt controller based on the ARM NVIC, which allows the service of interrupts with a very low latency and an array of timers based on the timers present in the 32-bit Tricore ™ microcontroller. The implementation of these peripherals allows the use of the SoC for automotive applications due to the determinism that it offers, as well as its performance and priority space unification capability. The SoC’s processor is based on the Microblaze which follows a RISC architecture, like the DLX processor, a processor widely used for teaching over the years. The processor implements a five pipeline stages datapath, in order to increase the number of instructions executed in a unit of time, a hazard unit to solve the problems inherent to a pipelined implementation, and a bus to communicate with the peripherals. The development of this work was done in parallel with another, where it was developed the compiler that supports the SoC developed in this dissertation. Several decisions as the ISA were taken together on both dissertations.