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从零开始写RISC-V处理器
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2022-03-17
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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：
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：
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
使用之前需要安装一下工具
1.安装iverilog工具
可以在上面进行下载，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
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：
3.安装make工具
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。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。
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：
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
使用之前需要安装一下工具
1.安装iverilog工具
可以在上面进行下载，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
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：
3.安装make工具
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。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。
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