tinyriscv-master.zip

与本项目配套的设计文档[《从零开始写RISC-V处理器》](https://liangkangnan.gitee.io/2020/04/29/%E4%BB%8E%E9%9B%B6%E5%BC%80%E5%A7%8B%E5%86%99RISC-V%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/)，已经更新完成。 本项目目前一共有3个分支，分别是master、bram和verilator，分别对应入门、进阶和高级三个级别，大家可以根据自身情况选择。 **本项目是一直在更新的，verilator分支持续开发中**，如果哪天不再更新了，我会特别说明的。 如果对本项目有疑问或者建议的话，优先通过邮件交流，谢谢。 # 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&quot;艰难&quot;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&quot;高深&quot;，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： 1. 支持RV32IM指令集，通过RISC-V指令兼容性测试； 3. 采用三级流水线，即取指，译码，执行； 4. 可以运行C语言程序； 5. 支持JTAG，可以通过openocd读写内存(在线更新程序)； 6. 支持中断； 6. 支持总线； 7. 支持FreeRTOS； 8. 支持通过串口更新程序； 9. 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格式文件的脚本，还有通过串口下载程序的脚本。 **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： <img src="./pic/addr_alloc.jpg" alt="地址空间分配" style="zoom:70%;" /> # 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。 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](https://www.eembc.org/coremark/scores.php)官网查询。 # 4.如何使用 本项目可以运行在Windows和Linux平台(macOS平台理论上也是可以的)，编译仿真工具使用的是iverilog和vpp，波形查看工具使用的是gtkwave。 ## 4.1Windows平台环境搭建 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/](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/1bYgslKxHMjtiZtIPsB2caQ 提取码: 9n3c)，或者通过微云下载[https://share.weiyun.com/5bMOsu9](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： `tinyriscv\tools\gnu-mcu-eclipse-riscv-none-gcc-8.2.0-2.2-20190521-0004-win64\bin\riscv-none-embed-gcc` 3. 安装make工具 可以通过百度网盘下载(链接: https://pan.baidu.com/s/1nFaUIwv171PDXuF7TziDFg 提取码: 9ntc)，或者通过微云下载[https://share.weiyun.com/59xtmWR](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](https://www.python.org/)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/1gNC8L5dZTsN6E5TJD2rmnQ 提取码: 3b4t)，或者通过微云下载[https://share.weiyun.com/XwzSQHND](https://share.weiyun.com/XwzSQHND)。安装完后将python添加到环境变量里。 5. 下载tinyriscv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` ## 4.2Linux平台环境搭建 这里以Ubuntu系统为例进行说明。 1. 下载iverilog源码 `git clone https://github.com/steveicarus/iverilog.git` 2. 切换到v11分支(必须用V11或以上的版本) `git checkout v11-branch` 3. 安装依赖 `sudo apt-get install autoconf gperf flex bison build-essential` 4. 编译、安装iverilog和vvp ``` sh autoconf.sh ./configure make make install ``` 5. 创建python软链接 `sudo ln -s /usr/bin/python3.8 /usr/bin/python` 其中/usr/bin/python3.8对应你实际安装的python版本。 6. 安装gtkwave `sudo apt-get install gtkwave` 7. 安装GNU工具链 可以从百度网盘下载(链接：https://pan.baidu.com/s/10uLZYf_cgtH94kZI_N6JhQ 提取码：uk0w)或者自行下载其他版本的，下载后解压到tools目录下。 最后，需要确认tests/example/common.mk文件里的这几行内容要与你安装的工具链对应得上。  ## 4.3运行指令测试程序 这里以Windows平台为例进行说明，Linux平台是类似的。 ### 4.3.1 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： ```python .\sim_new_nowave.py ..\tests\isa\generated\rv32ui-p-add.bin inst.data``` 如果运行成功的话就可以看到&quot;PASS&quot;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： `python .\test_all_isa.py` ### 4.3.2运行新的指令测试程序 新的指令兼容性([riscv-compliance](https://github.com/riscv/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： `python .\compliance_test.py ..\..\tests\riscv-compliance\bu