Implementation of a RISC-V processor in VHDL for academic applications, supporting high level programming and custom peripherals

La mayoría de los microprocesadores de los dispositivos electrónicos, computadores, celulares o relojes inteligentes, están construidos alrededor de dos arquitecturas de referencia (definidas por sus ISA – Instruction Set Architecture), la x86 y la ARM-32. Estos dos ISA pertenecen y son desarrollados únicamente por dos compañías, Intel y ARM respectivamente. Estas dos empresas acapararon casi todo el mercado electrónico mencionado anteriormente hasta hace unos años. Concretamente en 2019, cuando surgió una nueva ISA, RISC-V, que empezó a ser tenida en cuenta en este mercado. A diferencia de x86 o ARM-32, RISC-V es un conjunto de instrucciones que además de ser libre y abierto, su desarrollo no depende de empresas privadas, como lo que sucede con sus competidores. Esto en el campo comercial tiene muchas implicaciones, por ejemplo, si se requiere usar algún chip con alguna ISA comercial se pueden necesitar hasta 2 años para conseguir dicho permiso, lo que retrasaría mucho el diseño de alguna aplicación, mientras los chips basados en RISC-V pueden ser usados sin pasar por este tipo de negociaciones, lo ello tiene una ventaja comercial enorme frente a sus competidores. RISC-V al ser una ISA modular en lugar de una incremental no ve necesario el incluir las instrucciones desarrolladas desde el inicio de la arquitectura, sino que, al tener un núcleo congelado, da la posibilidad de incluir las extensiones necesarias según la aplicación a desarrollar. Esto tiene como ventaja no solo disminuir el costo de fabricación, ya que se reduce su tamaño, sino también disminuye el tiempo de ejecución de un programa implementado en dicha arquitectura. Consecuentemente, a nivel comercial ha tenido una gran acogida, contando desde 2015 con RISC-V International, una fundación que actualmente consta con más de 200 miembros, entre los cuales se destacan grandes compañías como Huawei, ZTE, Western Digital, entre otras. Sin embargo, a nivel académico son pocas las iniciativas de Universidades y de propuestas no comerciales que desarrollen procesadores RISC-V. Además, las propuestas que existen son limitadas en capacidades y documentación, por consiguiente, este trabajo de grado busca realizar una implementación que soporte programación en alto nivel y periféricos a la medida, incluyendo una buena documentación al respecto. Igualmente, busca evaluar el rendimiento del procesador desarrollado con el fin de mostrar sus capacidades y su compatibilidad para que, con este procesador libre y abierto, se pueda apoyar las clases de Organización de Computadores del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana en la línea de Sistemas Digitales.Most of the microprocessors of electronic devices, computers, cell phones or smart watches, are built around two reference architectures (defined by their ISA - Instruction Set Architecture), the x86 and ARM-32. These two ISAs are owned and developed by only two companies, Intel and ARM respectively. These two companies have dominated almost the entire electronic market mentioned above until a few years ago. Specifically in 2019, when a new ISA emerged, RISC-V, which began to be taken into account in this market. Unlike x86 or ARM-32, RISC-V is a set of instructions that in addition to being free and open, its development does not depend on private companies, like its competitors. In the commercial field this has many implications, for example if it is required to use a chip with a commercial ISA it may take up to 2 years to obtain the permission, which would delay the design of an application, while chips based on RISC-V can be used without going through this type of negotiation, which has a huge commercial advantage over its competitors.RISC-V, being a modular ISA instead of an incremental one, does not see the need to include the instructions developed from the beginning of the architecture, but, having a frozen kernel, gives the possibility of including the necessary extensions according to the application that is going to be developed. This has the advantage not only to reduce the manufacturing cost, since its size is reduced, but it also reduces the execution time of a program implemented in that architecture. Consequently, on a commercial level it has had a great reception, having since 2015 RISC-V International, a foundation that currently has more than 200 members, including companies such as Huawei, ZTE, Western Digital among others. However, at an academic level, there are few University initiatives and non-commercial proposals that develop RISC-V processors. In addition, the existing proposals are limited in capacities and documentation, therefore, this work degree seeks to carry out an implementation that supports high-level programming and custom peripherals, including a very good documentation. Also it seeks to evaluate the performance of the processor developed in order to show its capabilities and its compatibility with the purpose of assisting, with this free and open processor, the Computer Organization classes of the Department of Electronic Engineering at Pontificia Universidad Javeriana in the Digital Systems area.Ingeniero (a) ElectrónicoPregrad