Development of a RISC-V processor optimized for control applications to be used in the levitation system of Hyperloop

Abstract

[EN] The present work develops, in System Verilog, a RISC-V IP core, both single-cycle and multi-cycle, employing the RV32I (32-bit integer handling RISC-V architecture) ISA (Instruction Set Architecture). A PID controller core IP has been developed to work alongside the processor. The main objective is to create a microprocessor optimised for control applications to be used in a hyperloop prototype. Hyperloop is a means of transportation concept that consists of a capsule that levitates in a vacuum tube to achieve high speeds with the lowest possible energy usage. Levitation control is a resource-intensive task in a microcontroller. A dedicated control peripheral reduces the use of the CPU, allowing it to perform other tasks. The use of FPGAs increases hardware flexibility to be modified, improving its performance without altering the PCBs, allowing process parallelisation and reducing power consumption. This project is based on the control system of the hyperloop prototype, Auran, developed by the Hyperloop UPV team for the 2022 European Hyperloop Week.

[ES] El presente trabajo desarrolla, en System Verilog, un core IP de procesador RISC-V tanto single-cycle como multi-cycle implementando el ISA (Intruction Set Architecture) RV32I (RISC-V con arquitectura de 32 bits y manejo de números enteros), junto con un core IP de controlador PID que será conectado a él. El objetivo principal es desarrollar un microprocesador optimizado para aplicaciones de control para poder ser usado en un prototipo hyperloop. Hyperloop es un concepto de medio de transporte que consiste en una cápsula que circula levitando en un tubo de vacío para lograr altas velocidades con el menor uso de energía posible. El control de la levitación consume una gran cantidad de recursos en un microcontrolador, por lo que un periférico específico para realizar el control reduce la carga sobre la CPU, permitiendo ejecutar otras tareas. El uso de FPGAs mejora la flexibilidad del hardware para ser modificado incrementando las prestaciones, sin cambio en las PCBs, posibilita la paralelización de tareas y reduce el consumo. Este proyecto tiene como base el sistema de control del prototipo hyperloop, Auran, desarrollado por el equipo Hyperloop UPV para la European Hyperloop Week de 2022.