Desarrollo de un Microprocesador ARM7

Abstract

Este trabajo de título tiene como objetivo generar la capacidad de diseñar circuitos integrados digitales desarrollando un dispositivo electrónico específico: un microprocesador ARM7. Para ésto se utilizaron lenguajes de descripción de hardware que permiten utilizar una metodología top-down, comenzando por un modelo comportamental de alto nivel del circuito hasta obtener un modelo estructural. El microprocesador ARM7 es un exitoso modelo diseñado por ARMTM, que a pesar de no poseer la complejidad de otros procesadores, se destaca por ser el más utilizado en la familia de dispositivos ARM, encontrándose en diversos dispositivos portables como consolas de juegos, teléfonos celulares y reproductores multimedia. Su diseño simple ofrece un alto rendimiento a muy bajo consumo y costo, por lo cual ha sido escogido para desarrollar en este trabajo. El desarrollo contempló la utilización inicial de la herramienta ArchC, la cual permite obtener una descripción de un procesador de manera relativamente sencilla en lenguaje SystemC. Con este modelo diseñado se pudieron realizar pruebas que para verificar el funcionamiento del procesador y así continuar con su descripción en lenguaje Verilog. Este último tiene la capacidad de describir circuitos a bajo nivel y posee la ventaja de encontrarse en un estado más maduro por la cantidad de años que ha sido utilizado por ingenieros. El diseño del microprocesador en Verilog se realizó programando cada módulo que conforma el datapath junto al módulo de control que genera las señales necesarias para ejecutar una instrucción. La programación de estos módulos se realizó considerando las estructuras conocidas por la literatura relacionada al tema y diseñando secciones que no se encontraron documentadas de forma libre. A partir de esta programación se generó un modelo Verilog que combina descripciones comportamentales y estructurales. Antes de realizar la síntesis del microprocesador, cada módulo fue probado de forma individual, asegurando su funcionalidad de forma independiente y luego se realizó una validación global del sistema. Finalmente se realizó la síntesis del dispositivo con el programa Design CompilerTM imponiendo restricciones para obtener un procesador de 20 Mhz. Se comprobó por medio de una nueva verificación que la netlist obtenida es satisfactoria según las especificaciones. En conclusión se obtuvo un microprocesador funcional, con las instrucciones más importantes implementadas. Las pruebas fueron satisfactorias logrando corregir muchos errores a causa de desconocimiento y/o descuido. El objetivo principal se cumplió ya que en el trabajo se debió aprender tanto acerca de sistemas digitales como de lenguajes de descripción de hardware. Estos últimos requieren mucha experiencia en su uso, ya que describen algoritmos de forma paralela y no secuencial como los típicos lenguajes de software a los cuales la mayoría de los ingenieros están acostumbrados. Finalmente queda a disposición el modelo del microprocesador para que pueda ser utilizado con fines académicos y con la posibilidad de completar su funcionalidad y/o ser usado como núcleo de un sistema sobre una FPGA.