Microcontrollers with stack architecture

Authors

DOI:

https://doi.org/10.18372/2073-4751.74.17885

Keywords:

FPGA, processor, instruction set, stack architecture, VHDL

Abstract

The development of microcontroller cores that have both low hardware costs and minimized length of compiled software code that is executed with the required performance is necessary for the implementation of Internet of Things systems, and application specific systems based on field programable gate arrays (FPGA) of small volume.

The main task of the research is to develop an efficient architecture of the microcontroller core, which is configured in a small-volume FPGA.

As a result of the research, it was established that such a kernel should have a stack architecture. Such an architecture minimizes both the size of the compiled software code and hardware costs. In addition, in such an architecture, programs with a large number of conditional instructions, subroutine calls and frequent interruptions are quickly executed.

Eight- and sixteen-bit microcontroller cores with the names SM8 and SM16, respectively, which have a stack architecture, are proposed. Application specific user instructions can be added to the instruction set that are configured to speed up the execution of the executed algorithm. So, it is possible to add to the SM8 core up to dozens of user instructions that are executed by subroutines. A single instruction of the SM16 core calculates the hash function of the input keywords at a rate of two clocks per symbol.

The cores are characterized by low hardware costs and can be configured in FPGAs of various series and manufacturers. In particular, the SM16 core has 1.7 times lower hardware costs and 2.7 times higher performance than the MSP430 architecture core.

References

Meyer-Baese U. Embedded Microprocessor System Design using FPGAs. Springer, 2021. 509 p.

Chapman K. PicoBlaze for Spartan-6, Virtex-6, and 7-Series (KCPSM6). Xilinx, Inc., 2012. 118 p.

Processor Design. System-on-Chip Computing for ASICs and FPGAs. Nurmi, J. (ed.) Springer, 2007. 525 p.

Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays, 4th Ed. Springer, 2005. 930 p.

Hennessy J.L., Patterson D.A. Computer Organization and Design. The Hardware Software Interface. 2nd Ed. Elsevier Inc., 2021. 1131 p.

Koopman P. Stack computers: the new wave. Ellis Horwood, Mountain View Press, CA,1989. 234 p.

Leong P.H.W., Tsang P.K., Lee T.K. A FPGA Based Forth Microprocessor. Proceedings. IEEE Symposium on FPGAs for Custom Computing Machines / Napa Valley, CA, USA, 1998. P. 254–255.

Paysan B. b16-small – Less is More. EuroForth 2004 Proceedings / Saarland, Germany, 2004. 8 p.

Bowman J., Garage W. J1: a small Forth CPU Core for FPGAs. EuroForth 2010 proceedings / Hamburg, Germany, 2010. 4 p.

Maslennikov O., Shevtshenko J., Sergyienko A. Configurable microcontroller array. Proceedings. International Conference on Parallel Computing in Electrical Engineering / Warsaw, Poland, 2003. P. 47–49.

Sergiyenko A., Molchanov O., Orlova M. Software/Hardware Co-design of the Microprocessor for the Serial Port Communications. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 938. P. 238–246.

Sergiyenko A., Molchanov O., Orlova M. Microcontroller for the Logic Tasks. Information, Computing and Intelligent Systems. 2021. No. 2. P. 1–9.

Girard O. OpenMSP430. OpenCores, Rev. 1.13. 2013.

Downloads

Published

2023-06-30

Issue

Vol. 2 No. 74 (2023)

Section

Статті

License

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).