机械臂控制芯片的设计及实现的文献综述
摘要：随着工业机器人技术的迅速发展，机械臂在制造产业上得到广泛应用，具有高效率、便于工人操作的特点，取代人工用于生产流水线上。控制机械臂的核心是要设计出机械臂控制芯片。使用FPGA技术可以实现CPU的设计，利用CPU可以开发机械臂控制软件。本课题研究的方向就是基于FPGA，设计一个MIPS结构的CPU芯片，并用其来设计一个机械臂控制系统。
关键字：FPGA、MIPS、SOC总线、串口通信、CPU
- 前言
近年来，随着我国制造业的飞速发展，制造产业面临转型升级，为了响应国家从制造到智造的转变，整个制造产业正在全面使用机械化代替人工。由此，工业机器人技术得到迅速发展，机械臂在制造产业被广泛的运用。机械臂根据负载的大小可分为大型、中型、小型三类。大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小的场合。随着工业机器人技术的不断发展，尤其是一些中小型机器人，他们具有体积小、重量轻、精度高、控制可靠的特点，甚至可以研发出更为轻巧的控制箱，可以在工作区域自由移动，这样大大方便了工作人员的操作。而能够让人工方便的操作这些机械臂工作，其核心就是要设计机械臂的控制系统，就可以通过一个控制台就可以操作机械臂实现各种功能。要实现机械臂的控制系统就需要设计一个微处理器（CPU）来发送指令实现对应的操作。
本课题目的就是基于FPGA，自主设计一个MIPS结构的CPU芯片，并用其来设计一个机械臂控制系统（本课题机械臂使用虚拟机械臂模拟操控），完成该系统的硬件设计和软件设计。本文是对国内外学者对于机械臂控制、FPGA技术以及MIPS结构CPU设计的一些研究现状和成果做了简单的梳理和总结。
- 国内外相关技术和研究
机械臂控制芯片的设计涉及FPGA技术、MIPS体系结构以及CPU设计等方面的知识，是对计算机CPU的设计技术和开发方法， FPGA技术、以及计算机应用系统的开发能力的综合运用。
- FPGA-现场可编程门阵列
FPGA的英文全称为Field－Programmableensp;Gateensp;Array,其英文名称的含义是现场可编程门阵列。它具体指的是通过软件的手段去改变和配置器件内部连接结构和逻辑单元以完成指定设计功能的所有数字集成电路。它的发展经历了PAL，GAL，CPLD和其他可编程器件等历史，它是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它的出现主要是用于专用集成电路领域中的一种特殊定制的电路。它的优点可以分为两部分：一部分是解决了原有的可编程器件的门电路数不足；另一部分是弥补了定制电路的限制性。FPGA是一种采用CMOS，SRAM工艺制造的单元结构的PLD器件，但同时又与与PLD的阵列结构形式不同，它是由多个独立的可以灵活地相互连接可编程逻辑单元组成，同时还具有高密度，高速度，灵活编程，并且可以重新配置等优点，这些优势的集结使得FPGA已成为当前主流的PLD器件之一。
FPGA的主要优点有：(1)可编程灵活性高;ensp;(2)开发周期短;ensp;(3)并行计算可编程灵活性高。FPGA与ASIC的电路有所不同，ASIC是属于全定制电路而FPGA则是属于半定制电路。从理论上讲，如果FPGA提供的门电路可以满足，任何ASIC和DSP的逻辑功能都可以通过编程来实现。此外，编程的内容也是可以根据需求重复进行更改，它不像ASIC设计的编程固化后不能在进行修改。因此，FPGA的应用也更灵活。在实际编程设计上，FPGA具有的可编程性能够使得开发人员使用软件升级包，通过软件升级包在芯片上运行，进行修改芯片原来的程序，从而避免了更换硬件芯片。更方便的是FPGA，也可以通过互联网进行远程升级。FPGA拥有的并行计算效率非常的高效。FPGA采用的是可以一次性执行多条指令的并行计算算法。而一般生活当中应用的ASIC，DSP甚至CPU芯片都采用的是串行计算方式，处理指令的方式只能是单独进行。如果在电路设计当中需要对ASIC和CPU的运行速度需要加快，一般都是采用增加频率的方式，所以在设计当中ASIC和CPU的电路当中频率一般较高。虽然FPGA的通用频率都普遍较低，但对于一些特殊要求的设计，大量相对较低速的并行单元比一些高效率单元更有效率。而且，从其他方面来看，并没有所谓的“计算”存在于在FPGA芯片内部。处理的到最终结果的方式是和ASIC“电路直给”效果非常相似的，所以大大的提高了执行效率。
- MIPS CPU
MIPS的含义是无内锁流水线微处理器( Microprocessor witbout Interlocked Piped Stages)，是上世纪80年代诞生的 RISC CPU 的重要代表，其设计者 John Hennessy 时任斯坦福大学的教授 。当初的设计基于以下理念：使用相对简单的指令，结合优秀的编译器以及采用流水线执行指令的硬件，就可以用更少的晶元面积生产更快的处理器 。这一理念是如此的成功，以至于1984 年就成立了MIPS 计算机系统公司对 MIPS 架构进行商业化。在随后的十几年中， MIPS 架构在很多方面得到发展，在工作站和服务器系统中得到了很多应用。
MIPS的系统结构及设计理念比较先进，其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。其设计机制是尽量避免处理器 中流水线上各种相关问题，使得程序指令可以尽量不停顿的执行间。
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