一个小型RISC-V开源处理器核介绍！

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最近看到了一个开源的RISC-V处理器设计，仅仅5000行左右的verilog代码，功能却非常完善。代码全部为手动设计的verilog代码，可读性非常强。设计者完成了包括CPU内核设计，总线设计，debug模块设计，外设模块设计，以及相关的软件设计，测试模块设计。整个项目的完成度非常高，值得FPGA入门后想要再提高的人来学习。

下面是对这个下面的介绍说明（来自项目的README文件）。

1.初衷

本开源项目的初衷是本人想入门RISC-V，熟悉RISC-V的指令内容和汇编语法。本人对RISC-V很感兴趣，很看好RISC-V的发展前景，觉得RISC-V就是CPU中的Linux。由于RISC-V是这两年才开始迅速发展的，因此关于RISC-V的学习参考资料目前还很少，特别是适合入门的资料，因此学习起来进度很缓慢，于是萌生了自己从零开始写RISC-V处理器核的想法。

本人是一名FPGA小白，为了快速入门、深入掌握RISC-V，我开始了学习FPGA和verilog的"艰难"历程。我工作的内容是和嵌入式软件相关的，平时根本不会接触到FPGA，也不会用到RISC-V，因此只能用业余时间来学习RISC-V。网上有不少关于RISC-V的开源项目，但是大多都写得很"高深"，对于我这种小白来说学习起来是非常吃力的，不太适合入门。本项目目前的代码量非常少，是很简单易懂的，对于想入门RISC-V的同学来说是一个很好的参考，希望能够吸引更多的同学参与到RISC-V的学习中来，促进RISC-V的发展，如果能起到抛砖引玉的作用的话那就更好了，也许说是砖的话就有点夸大了，但哪怕是起到一颗沙子的作用，也就足矣。

2.介绍

本项目实现的是一个单核32位的小型RISC-V处理器核(tinyriscv)，采用verilog语言编写。设计目标是对标ARM Cortex-M3系列处理器。tinyriscv有以下特点：

• 支持RV32IM指令集，通过RISC-V指令兼容性测试；
• 采用三级流水线，即取指，译码，执行；
• 可以运行C语言程序；
• 支持JTAG，可以通过openocd读写内存(在线更新程序)；
• 支持中断；
• 支持总线；
• 支持FreeRTOS；
• 支持通过串口更新程序；
• 容易移植到任何FPGA平台(如果资源足够的话)；
  

项目中的各目录说明：rtl：该目录包含tinyriscv的所有verilog源码；sim：该目录包含仿真批处理bat文件和脚本；tests：该目录包含测试程序源码，其中example目录为C语言程序例程源码，isa目录为RV32指令测试源码；tools：该目录包含编译汇编和C语言程序所需GNU工具链和将二进制文件转成仿真所需的mem格式文件的工具BinToMem，还有通过串口下载程序的脚本。BinToMem_CLI.exe需要在cmd窗口下执行，BinToMem_GUI.exe提供图形界面，双击即可运行；pic：存放图片；tb：该目录包含仿真的testbench文件；fpga：存放FPGA相关文件，比如约束文件；tinyriscv的整体框架如下：

tinyriscv目前外挂了6个外设，每个外设的空间大小为256MB，地址空间分配如下图所示：

3.CoreMark测试

目前tinyriscv在Xilinx Artix-7 35T FPGA平台(时钟50MHz)上运行CoreMark跑分程序的结果如下图所示：

可知，tinyriscv的跑分成绩为2.4。此成绩是基于指令在rom存储和数据在ram存储的情况下得出的，如果指令和数据都在ram的话跑分上3.0问题应该不大。选了几款其他MCU的跑分结果如下图所示：

更多MCU的跑分结果，可以到coremark官网查询。

4.如何使用

本项目运行在windows平台，编译仿真工具使用的是iverilog和vpp，波形查看工具使用的是gtkwave。

4.1安装环境

在使用之前需要安装以下工具：

1).安装iverilog工具

可以在这里 http://bleyer.org/icarus/ 下载，安装过程中记得同意把iverilog添加到环境变量中，当然也可以在安装完成后手动进行添加。安装完成后iverilog、vvp和gtkwave等工具也就安装好了。

2).安装GNU工具链

可以通过百度网盘下载( 链接: https://pan.baidu.com/s/1AWGEa63kIZViBKd09EtcaQ 提取码: cn4z )，或者通过微云下载 https://share.weiyun.com/5bMOsu9 ，下载完成后将压缩包解压到本项目的tools目录下。注意目录的层次结构，解压后的工具路径应该如下所示：

1. tinyriscv\tools\gnu-mcu-eclipse-riscv-none-gcc-8.2.0-2.2-20190521-0004-win64\bin\riscv-none-embed-gcc

复制代码

3).安装make工具

可以通过百度网盘下载(链接: https://pan.baidu.com/s/1BrKz28Z3WM-XrxYOKHcE_A 提取码: kxaj )，或者通过微云下载 https://share.weiyun.com/59xtmWR，下载完成后直接解压，然后将make所在的路径添加到环境变量里。

4).安装python3

到python官网下载win版本的python，注意要下载python3版本的。网速慢的同学可以通过百度网盘下载(链接: https://pan.baidu.com/s/1vO9baQvqMjGn1ZVVvo3ljw 提取码: 5pz2 )，或者通过微云下载https://share.weiyun.com/XwzSQHND。安装完后将python添加到环境变量里。

5).下载代码

使用git clone命令下载，不要使用zip方式下载，否则有些文件会有格式问题。git clone https://gitee.com/liangkangnan/tinyriscv.git

4.2运行指令测试程序


4.2.1 运行旧的指令测试程序

旧的指令测试程序属于比较早的指令兼容性测试方法，虽然目前RISC-V官方已经不更新了，但仍然是一个比较好的测试参考。下面以add指令为例，说明如何运行旧的指令测试程序。打开CMD窗口，进入到sim目录，执行以下命令：

1. sim_new_nowave.bat ..\tests\isa\generated\rv32ui-p-add.bin inst.data

复制代码

如果运行成功的话就可以看到"PASS"的打印。其他指令使用方法类似。

也可以一次性对所有指令进行测试，方法如下。打开CMD窗口进入到sim目录下，执行以下命令：

1. python .\test_all_isa.py

复制代码

4.2.2运行新的指令测试程序

新的指令兼容性(riscv-compliance)测试项相对于旧的指令兼容性测试项来说对指令的测试更加严谨，可以精确到每一条指令的运行结果，而且RISC-V官方一直在更新。下面以add指令为例，说明如何运行新的指令测试程序。打开CMD窗口，进入到sim/compliance_test目录，执行以下命令：

1. python compliance_test.py ..\..\tests\riscv-compliance\build_generated\rv32i\I-ADD-01.elf.bin inst.data

复制代码

如果运行成功的话就可以看到"PASS"的打印。其他指令使用方法类似。

4.3运行C语言程序

C语言程序例程位于tests\example目录里。下面以simple程序为例进行说明。首先打开CMD窗口，进入到tests\example\simple目录，执行以下命令清除旧的目标文件：make clean然后重新编译：make编译成功之后，进入到sim目录，执行以下命令开始测试：

1. .\sim_new_nowave.bat ..\tests\example\simple\simple.bin inst.data

复制代码

5.移植到FPGA

详细的移植方法请查看本项目下的fpga目录中的README.md文件。

6.未来计划

• 写设计文档；
• 优化资源和功耗(主要是译码和执行部分)；
• 支持硬件中断嵌套和快速实时中断；
• ......
  

7.更新记录

2020-07-04：支持通过UART烧写固件；2020-05-27：增加新的指令兼容性(riscv-compliance)测试项。2020-05-05：支持spi master，增加spi测试例程。2020-04-25：支持FreeRTOS(v10.3.1)。2020-04-18：适当添加代码注释；优化中断管理模块。2020-04-11：增加CoreMark跑分例程和跑分成绩。2020-04-05：支持CSR指令。2020-03-29：重大更新，主要更新如下：

• 支持RIB(RISC-V Internal Bus)总线；
• 优化乘法代码，节省了2/3的DSP资源；
• 优化除法代码，解决了除法模块的BUG；
• 完善C语言例程、启动代码和链接脚本；
• 增加一次性对所有指令进行测试的脚本；
  

2020-03-08：支持中断，为此增加了timer模块来验证。2020-03-01：支持JTAG，配合openocd可进行内存读写。JTAG文档参考深入浅出RISC-V调试。2020-02-23：支持在Xilinx Artix-7平台上运行。详见tinyriscv_vivado。2020-01-13：支持RV32M的除法指令。其C语言实现详见div。2020-01-02：支持RV32M的乘法指令。2019-12-06：第一次发布。

项目开源地址：

https://gitee.com/liangkangnan/tinyriscv