从零开始学RISC-V之邮箱和邮件的秘密

皋陶 · 发表于 2020-8-23 22:16:57

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本帖最后由皋陶于 2020-8-26 18:10 编辑

文章目录

从零开始学RISC-V之邮箱和邮件的秘密
- 背景介绍
- 可执行文件的生成
- 设计一个简单的IRAM
- 总结一下

背景介绍

当一个应用软件被编译成可执行代码后，这种二进制数据会保存在各种不同类型的存储器中。对于xf100项目来讲，这个存储器就是指令RAM（简称IRAM，下同）。注意由于RAM在掉电后会丢失内部保存的数据，因此在实际应用中真实的程序会保存在ROM中，器件在上电之初会将该代码搬运到RAM中并按照设定的起始地址开始工作。如果将指令比喻为邮件的话，那么指令RAM就是专用的邮箱。

基于以上介绍，本节内容将围绕指令存储器展开。它包含两个任务：首先是生成一个实际的RISC-V可执行文件，我们将看到具体的risv指令，并分析cpu是如何识别该指令的。然后将会基于逻辑门设计一个SRAM模型。这两个任务的完成与否将直接关系到IFU（Instruction Fetch Unit，取指令单元）的功能。因此需要重视。

可执行文件的生成

我们常见的编程语言，基本上越好读懂，越高级，也就越抽象。所有的高级语言，需要被计算机认识，必须有一套翻译工具，就是编译，链接等等。以最常见的C代码为例，需要经过如下步骤才能成为可执行文件：

预处理：将代码中的各种文件包含，宏定义，以及注释等内容做替换或者展开，生成一份“明文”式的代码，这个时候还是高级语言的代码，只不过看起来就完整一些。你可以理解成把论文的参考文献直接贴在论文后面，预处理之前的参考文献链接，变成了处理之后的参考文献全文。
**编译：**属于整个程序构建的核心，这一步会将预处理后的代码文件，转化成汇编代码文件。这种文件是早期计算机程序形式的一种。这一过程是将高级编程语言的代码转换成低级语言代码，它与计算机指令集强相关。这里，人类还能从中大致看出源程序的一些影子，也就是说我们还能看懂部分这转换后的代码。从此处开始，后面的代码就完全脱离了人类的思维了。那个时候的产物就只有电脑能认识了。
**汇编：**将之前生成的汇编代码转化成机器码。
链接：将机器码做最后的规整，包括代码的重定位之类的，生成最终的可执行文件。

那么具体到本项目，按如下过程操作：

进入xf100/verify/riscv-tools/riscv-tests/isa目录。在该目录下你将看到各种官方的测试样例。此处我们仅关心一个例子rv32ui-p-add,它在rv32ui目录下。
修改该路径下的Makefile文件
- 修改35行的RISCV_PREFIX,这个参数用于定位gcc-riscv工具链。你需要将其正确指向工具链的存放位置，就是第二节里的那个软连接。如果该参数错误，会导致生成时出现如下错误：make: xxx/bin/riscv-nuclei-elf-gcc: Command not found

make: xxx/bin/riscv-nuclei-elf-gcc: Command not found

复制代码

删除第79~88行，并修改78行的-march=rv32i。此处修改一是为了节省生成可执行文件的时间（毕竟我们只关注一个测试样例）；其次是指定可执行文件所支持的指令集。由于xf100仅作为一个简单的核，因此不支持MACFD这一系列特性。为避免可执行文件中出现xf100不支持的指令，需要修改这个参数。

在该路径下执行生成可执行文件命令

sh clean.sh // 删除之前生成的文件
sh regen.sh // 重新生成可执行文件

复制代码

如果中间没有任何错误，经过一段时间后，你将会在该路径下的generate文件夹下看到生成的文件。其对应的汇编dump文件如下图所示：

国内芯片技术交流-从零开始学RISC-V之邮箱和邮件的秘密risc-v单片机中文社区(1)

更多关于指令如何被识别的知识，请参见这里

设计一个简单的IRAM

RAM是一种掉电易丢失的存储器。一种常见的仿真模型是使用基于DFF触发器的一维数组来构建RAM的仿真模型。数组的下标就是RAM访问的地址，数组的每个元素记录的就是需要读写的内容。就本项目来讲，我们对IRAM做如下约束：

IRAM的读写数据位宽为32bit，即我们不支持16bit位宽的读写访问。由于xf100仅支持RV32I指令集，因此这个设置是合理的。
IRAM地址位宽设置为16bit，即访问空间从0~65535字节。
IRAM不存在写访问，由于IRAM只存储指令，也没必要对其存储内容进行修改，因此该设置也是合理的。
读IRAM的数据在当拍就可以输出。这当然是一种理想的状况，尽管存在与实际RAM的工作状态不相符的缺点，但是xf100是一个简单的入门级项目，没必要在此处花费精力。就RAM模型来讲，只要符合其存储数据的基本应用需求即可。我们的重点在于厘清核内部的原理机制，此处简单实用即可。

基于以上设定，一个简单版本的IRAM的实现代码如下所示：

///
// 首先我们定义一个带负边沿复位(rst_n)和更新使能(lden)的D触发器。
module xf100_gnrl_dfflr #(
parameter DW = 32
)(
input clk,
input rst_n,
input lden,
input [DW-1:0] din,
input [DW-1:0] dout
);
reg [DW-1:0] dout_r;
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if (~rst_n) begin
dout_r <= 1'b0;
end else if (lden) begin
dout_r <= din;
end
end
assign dout = dout_r;
endmodule
///
// 然后根据前述D触发器，构建一个32位宽的，深度可配置的RAM
module gnrl_sram #(
parameter DW=32, //数据位宽(Data Width)固定不变
parameter AW=8 ,
parameter DP=256 // 深度可配置
)(
input clk,
input rst_n,
input cs ,
input wen,
input [DW-1:0] din,
input [AW-1:0] addr,
output [DW-1:0] dout
);
// DFF数组，用于模拟RAM的存储区
reg [7:0] ram_r [DP-1:0];
写端口实现，在IRAM中不会使用到
wire [DW-1:0] ram_nxt = din;
wire ram_wen = cs & wen;
xf100_gnrl_dfflr #(8) ram_dfflr_0
(clk, rst_n, ram_wen,ram_nxt[07:00], ram_r[addr+0]);
xf100_gnrl_dfflr #(8) ram_dfflr_1
(clk, rst_n, ram_wen,ram_nxt[15:08], ram_r[addr+1]);
xf100_gnrl_dfflr #(8) ram_dfflr_2
(clk, rst_n, ram_wen,ram_nxt[23:16], ram_r[addr+2]);
xf100_gnrl_dfflr #(8) ram_dfflr_3
(clk, rst_n, ram_wen,ram_nxt[31:24], ram_r[addr+3]);
读端口实现，数据在读请求有效的当拍就被输出。
wire ram_ren = cs & ~wen;
assign dout [07:00]= ram_r[addr+0] & {DW{ram_ren}};
assign dout [15:08]= ram_r[addr+1] & {DW{ram_ren}};
assign dout [23:16]= ram_r[addr+2] & {DW{ram_ren}};
assign dout [31:24]= ram_r[addr+3] & {DW{ram_ren}};
endmodule
例化一个IRAM，大小为16384*32bit
module xf100_inst_ram_16384x32 #(
parameter DW=32,
parameter AW=14,
parameter DP=16384
)(
input clk,
input rst_n,
input cs ,
input wen,
input [DW-1:0] din,
input [AW-1:0] addr,
output [DW-1:0] dout
);
gnrl_sram #(
.DW(DW),
.AW(AW),
.DP(DP)
) u_gnrl_inst_ram (
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n),
.cs (cs ),
.wen (wen ),
.din (din ),
.addr (addr ),
.dout (dout )
);
endmodule

复制代码

至此，IRAM设计结束。后续在仿真时，只需要使用readmemh函数初始化该IRAM，就可以满足IFU取指的需求了。具体内容后续会有介绍。关于IRAM的仿真，将在下一节IFU的设计完成之后一起进行。

总结一下

所有的高级语言写的代码，都需要通过编译工具做一道转化手续，这个看起来复杂，实际上也真的很复杂。
IRAM就是一个存储指令的只读存储器，掉电易丢失，只处理IFU发送过来的读请求信号。
数据在读请求信号有效的当拍就可以输出。但是这个行为并不很好，因为实际的RAM器件的时序并不是如此理想。
IRAM的设计以符合要求为原则，大小可配置方便后续进一步优化设计。

本篇完，感谢关注：RISC-V单片机中文网

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