FPGA tabanlı sanal işlemci tasarımı ve performans analizi
FPGA based soft-core processor design and performance analysis
Yazar: MUHAMMET ERTUĞRUL ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. HAKKI GÖKHAN İLK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA ; HDL = HDL

Özet:
Bu çalışmada, FPGA üzerinde düşük güç tüketimi, düşük kaynak kullanımı ve yüksek frekansta işlem yapabilme kabiliyetlerine sahip olan bir sanal işlemci tasarlanması ve tasarlanan işlemcinin performans analizinin yapılması amaçlanmıştır. Tasarlanan sanal işlemcinin, önde gelen FPGA üretici firmalarının tasarlayıp kullanıcıya sunduğu sanal işlemcilerle karşılaştırıldığında performans olarak daha üstün konumda olması hedeflenmiştir. Bu kapsamda, işlemcilerin iç yapısı ve işlemci mimarileri hakkında detaylı araştırmalar yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda tasarlanacak olan işlemcinin kabiliyetleri belirlenmiş, belirlenen kabiliyetlere bağlı olarak işlemci tasarımının nasıl olacağına karar verilmiştir. Tasarlanan işlemci 8 bit genişliğinde veri yoluna sahiptir. İşlemci 40 adet komut içeren RISC yapıda komut setine ve çok döngülü komut işleme düzenine sahiptir. Harvard hafıza mimarisinde olan işlemci 256 byte veri belleği, 704 byte program belleği ve 16 adet genel amaçlı yazmaç içermektedir. İşlemcinin Vivado geliştirme ortamı kullanılarak davranışsal seviyede tasarımı yapılmış ve simülasyon sonuçları incelenmiştir. Tasarımın gerçeklenmesi amacıyla Arty A7-35T FPGA geliştirme ortamı kullanılmış ve gerçeklenme sonrasında güç tüketimi, kaynak kullanımı ve maksimum çalışma frekansına dair sonuçlar Picoblaze sanal işlemcisi ile karşılaştırmalı olarak ortaya koyulmuştur. Bu sonuçlar incelendiğinde tasarlanan işlemcinin kaynak kullanımı ve güç tüketimi açısından Picoblaze sanal işlemcisine kıyasla daha üstün bir konumda olduğu, maksimum çalışma frekansı açısından ise daha düşük bir performans ortaya koyduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, it is aimed to design a soft core processor which has low power consumption, low area usage and high frequency processing capability on FPGA and to analyze the performance of the designed processor. The designed soft core processor intented to be superior position compared to the soft core processors designed and manufactered by leading FPGA manufacterers. In this context, detailed research have been made about the structure of the processors and processor architectures. The capabilities of the processor to be designed have been determined as a result of the research and the design of the processor has been decided depending on the determined capabilities. The designed processor has an 8-bit wide bus. The processor has a RISC instruction set with 40 instructions and multi cycle instruction processing architecture . The processor in the Harvard memory architecture contains 256 bytes of data memory, 256 bytes of program memory and 16 general purpose registers. At the behavioral level, the desing of the processor has been made and the simulation results were examined using the Vivado development environment. Arty A7-35T FPGA development environment was used for the realization of the design and the results of power consumption, resource utilization and maximum operating frequency were determined after the implementation. When the results are analyzed, it was seen that the designed processor has a superior position in terms of resource usage and power consumption compared to the Picoblaze virtual processor, and has a lower performance in terms of maximum operating frequency.