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《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器》读书笔记

wcc149 电子电路开发学习 2021-01-31

Stay Hungry, Stay foolish.——Steven Jobs

关于书籍和作者

首先感谢面包板社区提供这本《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》书籍的试读机会。这本书和另外一本《 RISC-V架构与嵌入式开发 》是国内最先出版的两本关于RISC-V处理器的书籍,作者是胡振波先生,这里还要感谢胡老师。胡振波先生是国内最早开始研究RISC-V架构的,有超过8年的CPU以及超过10年的ASIC设计与验证经验,历任Marvell CPU高级设计工程师,Synopsys ARC系列处理器内核研发经理等职务,有着近20年的行业积累。

第一次了解作者,是在今年4月20日在北航举办的RISC-V技术沙龙,那是我第一次全面的了解RISC-V架构,也是我第一次参与这种线下的技术交流活动,当时很多业内的大佬都分享了很多知识和见解,其中就包括胡振波老师分享的“RISC-V架构嵌入式开发的特点”。

记得在发言结束后,会上有一位与非网的朋友提问到,“作为国内RISC-V处理器研究的领导者,芯来科技为什么没有选择做芯片而是做IP核呢?”胡振波给出的答案是,“国内现在已经有近2000家芯片公司,如果我们选择做芯片,只是众多芯片公司中的2000分之一,现在基本是国外公司SiFive在做基于RISC-V架构的IP,国内公司对底层技术掌握的很少,本土的公司能做IP的也很少,如果没有人来做IP,就会变成从ARM垄断的ARM架构市场转为SiFive垄断的RISC-V架构的市场,我们放弃做芯片,专注做IP,服务国内其它商业公司。虽然芯来科技从创立到现在只有半年的时间,我们开发的IP已经导入国内很多龙头公司的产品中,这样做最终为本土产业带来更大的帮助,这种选择大于我们做芯片的意义。我们选择了看似不是被人理解的方向,是为了更好帮助本土IC产业发展,算是间接实现个人的自我价值。”当时,就很佩服胡老师作为第一个吃螃蟹的人。

关于RISC-V

RISC-V(发音同“risk-five”)是一种免费开源指令集架构(ISA),通过开放标准协作开创处理器创新的崭新纪元。RISC-V基金会创立 于2015年,由超过235家成员组织组成,建立了首个开放、协作的软硬件创新者社区,开创了处理器创新的新时代。RISC-V ISA发端于深厚的学术研究,将免费且可扩展的软硬件架构自由度提升至新的水平,为未来50年的计算设计与创新铺平了道路。

现在处理器的指令集主要分为RISC和CISC,即精简指令集和复杂指令集,RISC的代表就是著名的ARM架构,专注于高性能,低功耗,小体积,主要应用于移动设备;而CISC的代表是x86架构,像常用的PC、服务器的CPU等等,专注于桌面,高性能和民用市场。而RISC-V是属于RISC阵营的,相比于ARM,RISC-V的历史很短,2010年诞生于加州大学伯克利分校,当时的Krste Asanovic教授希望寻找一个合适的CPU指令架构,但x86架构复杂臃肿、ARM架构需要授权费、开源的OpenRISC架构又太老旧了,所以他最终决定自己做个开源CPU架构,并在2015年成立了RISC-V基金会(RISC-V Foundation ),专门推动RISC-V发展,现在的RISC-V基金会成员也超过了235个,包括国外的Google、三星、英伟达、微芯、高通、惠普、意法半导体、西数、NXP,国内的阿里巴巴、华为、高云等公司。一个时代有一个时代的芯片。RISC-V,就被认为是AIoT时代芯片的基础。可以说,今年是RISC-V快速发展的一年,从最近的兆易发布GD32VF103 MCU,到阿里发布玄铁910 IP,再到华米科技基于RISC-V MCU的智能手表量产等等,都可以看出今年RISC-V是大放异彩,个人猜测,ARM可能觉得RISC-V对他产生了一定威胁,所以计划将在明年上半年在特定CPU内核上推出自定义指令集功能,来对抗RISC-V!

正好最近又发布了基于兆易和芯来共同研发的 Bumblebee RISC-V内核的MCU——GD32VF103 。不知道最近面包板社区有没有考虑开展兆易RISC-V开发板的评测活动,哈哈!

关于蜂鸟E200

本书介绍的这款RISC-V CPU内核,名称为蜂鸟E200,代码文档全部开源在Github上,开源地址在文末。蜂鸟E200是一个处理器系列,包含了多款不同的具体处理器型号。所有的E200系列处理器核均支持协处理器接口,可用于自定义扩展指令。E201核是面积最小的核,可以配置为RV32IC或者RV32EC架构,不支持其他的扩展指令子集。

  • E201核是面积最小的核,可以配置为RV32IC或者RV32EC架构,不支持其他的扩展指令子集。

  • E203核可以配置为RV32IMAC或者RV32EMAC架构,使用面积优化的多周期硬件乘除法单元。

  • E205核为RV32IMAC架构,使用单周期的硬件乘法单元和多周期的硬件除法单元。

  • E205f核为RV32IMAFC架构,在基本的E205基础上加入了单精度浮点运算单元。

  • E205fd核为RV32IMAFDC架构,在基本的E205基础上加入了单精度和双精度浮点运算单元。

针对商业用途,芯来科技又发布了商业内核——N200系列。

(来自官网 www.nucleisys.com)

全书结构

全书共20章节,可分为三大部分,第一部分1-4章,普及处理器、CPU、指令集、内核、架构、RISC-V基础知识,并介绍了多款RISC-V内核,以及蜂鸟E200内核系列。

第二部分5-16章,详细介绍了设计CPU的通用流程,及对应的Verilog代码实现,非常适合深入理解CPU内部的工作原理,总线,指令,译码,中断异常,调试等,至于TIMER,UART、IIC、SPI等接口属于外设部分,并没有提到,毕竟本书介绍的CPU部分的实现过程,就像ARM MCU一样,内核都是一个,但是不同的半导体厂家,外设配置是不同的,有的是2个串口,有的3个串口,有了总线接口,这些外设根据需要来自主设计添加就行了。

第三部分17-20章,介绍在FPGA上实现CPU原型,并使用IDE工具来进行开发和调试,当然更详细的应用开发,还是要参加另一本姊妹书籍——《 RISC-V架构与嵌入式开发 》,最后一章节,介绍了和ARM M系列的性能跑分对比。

蜂鸟E200ARM Cortex-M核性能对比

国产CPU

  • MIPS——龙芯和君正

  • x86系——北大众志、兆芯、海光

  • Power——中晟宏芯

  • Alpha——申威

  • ARM——飞腾、华为海思、展讯、华芯通

CISC和RISC的区别

指令集架构主要分为复杂指令集(Complex Instruction Set Computer,CISC)和精简指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC),两者的主要区别如下:CISC不仅包含了处理器常用的指令,还包含了许多不常用的特殊指令。其指令数目比较多,所以称为复杂指令集。RISC负包贪处理器常用的指令,而对于不常用的操作,则通过执行多条常用指令的方式来达到回样的效果。由于其指令数目比较精简,所以称为精简指令集。典型程序的运算过程中所使用到的80%指令,只占所有指令类型的20%,也就是说,CISC指令集定义的指令,只有20%被经常使用到,而有80%则很少被用到。那些很少被用到的特殊指令尤其让CPU设计变得极为复杂,大大增加了硬件设计的时间成本与面积开销。

RISC-V商业版本与开源版本

  • Rocket Core

  • BOOM Core

  • Freedom SoC

  • LowRISC SoC

  • PULPino Core and SoC

  • PicoRV32 Core

  • SCR1 Core

  • ORCA Core

  • Andes Core(商业IP)

  • Microsemi Core(商业IP)

  • Codasip Core(商业IP)

  • 蜂鸟E200 Core与SoC(开源)

配套源码

本书配套的Verilog代码Github开源地址:

https://github.com/whik/e200_opensource.git

  • Git下载命令: git clone https://github.com/whik/e200_opensource.git

如果下载速度太慢,我已经把这个仓库同步到了我个人的Gitee码云上,下载速度会快一些:

https://gitee.com/whik/e200_opensource

  • Git下载命令: git clone https://github.com/whik/e200_opensource.git

配套开发板购买

开发板基于Xilinx XC7A100T,板载Xilinx Platform Cable USB下载器,用于对FPGA进行程序烧写。

  • FPGA评估板和JTAG调试器购买链接:

    https://item.taobao.com/item.htm?id=580813056318

  • 蜂鸟RISC-V开源处理器软硬件演示视频:

    https://www.bilibili.com/video/av41835638

  • 作者胡振波先生演讲——“RISC-V架构嵌入式开发的特点”,直播回看:https://live.maodou.io/course/j8Guikogngo9mY9nD?from=timeline&isappinstalled=0

  • 作者ID:硅农亚历山大,微信公众号,CSDN博客等平台。

总结

这本书主要是介绍国产开源RISC-V架构CPU——蜂鸟E200,通用CPU的设计流程和基于Verilog的代码具体实现,可以说是理论和实践相结合的一本好书,代码和文档都在Github上开源,文末有地址。无论是对于嵌入式开发,还是IC设计验证,都是很有价值的参考。虽然日常工作中也会接触到一些Verilog FPGA开发,但都是一些采集和通信的简单程序,另外个人也并不是微电子专业的,所以对于这种CPU的设计和实现,只能看个大概,很多的设计技巧理解起来还是有些困难,所以我的读书心得也仅限于此了,欢迎各位朋友互相交流。

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