面向步进电机控制的RISC-V微控制器的设计与实现

唐 钏，刘 昱，曾 林

(1.天津大学 微电子学院，天津 300072；2.北京智芯微电子科技有限公司，北京 100089)

步进电机是一种将输入的电脉冲信号转化为相应角位移的机电元件，具有运动精确、易于控制、响应迅速等特点，广泛应用于自动控制等领域[1]。步进电机控制器一般以数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)芯片和ARM架构的微控制器(MCU)为核心[2-4]，其优点在于硬件结构成熟，功能设计完备。但是，这种方案的基础软硬件平台的版权大多属于商业公司，有严格的使用限制或源码不公开以及需要版税等问题。在嵌入式软核处理器中，具有代表性的有Intel公司的NIOSⅡ软核和Xilinx公司的MicroBlaze软核[5-6]，在满足性能的同时，也简化了开发流程，但是都局限于自家厂商的开发套件，通用性不高，并且无法更改软核内部的结构，不利于深入研究和开发。

为了构建步进电机控制技术方案，设计了基于RISC-V指令集架构的微控制器。一方面，RISC-V开源指令集具有免费开放、架构精简、模块化、可扩展等优势[7]；另一方面，将处理器、存储器、总线以及其他IP核集成到单一的FPGA芯片上，能够减少系统的物理组件数，方便不同应用领域的差异化设计。目前，国内外关于RISC-V处理器在电机控制器中的应用相对较少[8-9]，且大部分都集中在商用领域。

1 RISC-V微控制器设计

1.1 RISC-V指令集介绍

开源指令集，比如OpenRISC、OpenSPARC和MIPS R6等，由于指令集设计的不完备、碎片化以及运营模式等原因无法广泛持续地生存下去。美国加州大学伯克利分校的研究人员，设计RISC-V开源指令集[10-11]。RISC-V指令集具有模块化、架构精简、安全、无需向后兼容、可扩展等特点。……