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RISC-V 软核

简介

核（CORE）是一个数字系统的核心，负责整个系统的内存调度，中断管理，算术逻辑运算等，如同整个系统的大脑，是由物理电气实现逻辑功能的关键。尽管复杂，但不可忽略的是，核同其他数字器件一样，也是一个典型的逻辑器件，由逻辑门、触发器构成，因此可以由硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）来描述。既然核可以由HDL来描述，那么对于每一个特定功能和性能（即逻辑的时序和功能特定）的核而言，必有一组HDL描述等价于它，而具体的器件信号、封装等，只不过是这组HDL依赖具体工艺的一种物理实现。因此，我们应该认识到，所谓核，本质上是一种知识产权，是一种特定的可描述的逻辑结构，应用于FPGA设备中。当前的FPGA设计规模巨大而且功能复杂，因此设计的每一个部分都从头开始是不切实际的。一种解决的办法是：对于较为通用的部分可以重用现有的功能模块，而把主要的时间和资源用在设计中的那些全新的、独特的部分。我们将这种功能模块称作IP核（Intelligent Property）。

IP核的提供方式通常分为软核、固核和硬核这3类。软核(Soft IP Core)在 EDA 设计领域指的是综合之前的寄存器传输级(RTL) 模型，通常是指以HDL代码（Verilog，VHDL…）为形式的可综合源代码；固核(Firm IP Core)在 EDA 设计领域指的是带有平面规划信息的网表；硬核 (Hard IP Core)在 EDA 设计领域指经过验证的设计版图。软核只具备功能仿真功能，需要经过综合以及布局布线才能使用，其优点是灵活性高、可移植性强，允许用户自配置。

软核是 IP 核应用最广泛的形式，使用 FPGA 的通用逻辑资源（LUT+FF)搭建而成的。其中，软核处于RTL层级，以可综合的HDL（Verilog，VHDL）源代码的方式存在。在前期调研过程中，本项目将开源的 riscv 软核 Rocket 烧录到 Nexys A7-100T 开发板上，并在其上运行裁剪过 Linux 操作系统。后期，XiUOS 也计划移植到 Nexys A7-100T 开发板上，软核仍采用开源的 Rocket。

一些常见软核

开源RISCV软核

Rocket，UC Berkeley 发起 RISC-V 项目的团队所设计的兼容 RISC-V 指令集的CPU核。为了设计一个新的指令集，UC Berkeley开发的一门“硬件构建语言”-Chisel。从功能上的角度来看，Chisel 可以将用户描述的硬件（写的代码）转化为等价的可综合的 Verilog HDL 代码或时等价的 C++ 仿真模型。
PULPino， PULPino 是一个开源的微型控制系统，基于一个32位RISC-V核心，由瑞士苏黎世联邦理工学院开发。核心IPC接近1，完全支持基整数指令集(RV32I)，压缩指令(RV32C)和部分支持乘法指令集扩展(RV32M)。
Shakti，印度理工学院的一个项目，由 Verilog 编写，其中使用了大量第三方IP，根据需要分成了不同的类。该计划不仅构建开源，生产级处理器，还包括互连结构，验证工具，存储控制器，外围IP和SOC工具等相关组件。
蜂鸟，国内最早比较成熟的 RISC-V 实现，由胡振波（现在芯来创始人）开发，使用Verilog设计，其开源CPU为E200，使用2级流水线。
tinyriscv，国内开发者在GitHub上开源的一个微 RISC-V 处理器核，用verilog语言编写，以最简单、最通俗易懂的方式实现RISC-V指令的功能，没有对代码做任何的优化。

商业非开源软核

MicroBlaze，RISC 微处理器， Xilinx 嵌入式产品系列的重要组件。MicroBlaze 是功能齐全的、更少指令集的 FPGA 优化型 32 位计算机 (RISC) 软处理器，可充分满足各种应用需求。作为一款高度可配置的易用型处理器，MicroBlaze 可在 FPGA 以及全可编程 (AP) SoC 产品系列中使用。它免费配套提供 Vivado 设计与系统版以及 Vivado Webpack 版。
Nios II系列，RSIC微理器，Altera 推出的32位RISC嵌入式处理器。Nios II是应用于Intel FPGA的嵌入式软核处理器，它是Qsys嵌入式系统的核心部件，具有较强的性能和可定制特性。一片FPGA内部可以构建多个 Nios II 处理器，它们可以作为主CPU，也可以是协处理器，在同一芯片内部协调有序地完成整个复杂系统的各项功能。Nios II处理器内核是32位RISC架构（精简指令集架构）处理器，它包含了大多数现代32位处理器中常见的基本架构元素。

Nexys A7-100T设备参数

Nexys A7-100T 是 Digilent 多孔 RAM-based Nexys 开发板的简易替代品。搭载Xilinx®Artix™-7 FPGA芯片，Nexys 4 DDR 是一个打开即用型的数字电路开发平台，帮助使用者能够在课堂环境下实现诸多工业领域的应用，配有高容量的大型FPGA芯片（Xilinx产品编号XC7A100T-1CSG324C）并集成了USB，以太网和其它端口。Nexys 4 DDR开发板能实现从理论型组合电路到强大的嵌入式处理器的多种设计。

Nexys A7

序号	描述	序号	描述
1	选择供电跳线	13	CPU复位按键（用于软核）
2	UART/JTAG共用USB接口	14	FPGA 配置复位按键
3	外部配置跳线柱（SD/USB）	15	模拟信号Pmod端口（XADC）
4	Pmod端口	16	编程模式跳线柱
5	扩音器	17	音频连接口
6	电源测试点	18	VGA连接口
7	16个LED	19	FPGA编程完成LED
8	16个按键开关	20	以太网连接口
9	8位7段数码管	21	USB连接口
10	可选用与外部接线的JTAG端口	22	（工业用）PIC24编程端口
11	5个按键开关	23	电源开关
12	板载温度传感器	24	电源接口

验证FPGA 移植linux

通过 lowRISC 开源项目，基于 rocket 修改的软核上运行完整的 linux。支持键盘、显示器、网卡等常见通用设备，验证了riscv软核运行linux操作系统的可行性，为XiUOS进一步支持riscv软核提供了试验基础。

生成riscv软核比特流
裁剪编译 linux
生成伯克利 bootloader(bbl)
将软核写入 flash
将 bbl 和 linux 写入 microSD卡
JP1 位于 USB / SD 位置，JP2 位于 USB 位置，电源选择 JP3位，usb底部的开关打开DIP-SW 1，引导linux从sd卡启动

在Nexys A7-100T上基于riscv软核运行Linux

Debian GUN/Linux buster/sid lowrisc tty1
lowrisc login: xiuos
Password:
Last login:Thu Jan 1 01:09:48 BST 1970 on tty1
Linux lowrisc 4.18.0-gc81ff0d #48 Thu Oct 18 16:00:24 BST 2018 riscv64

The programs included with the Debian GUN/linux system are free software;
the exact distribution terms for each program are described in the 
individual files in /usr/share/doc/*/copyright.

Debian GUN/linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANT, to the extent
permitted by applicable law.
xiuos@lowrisc:~$ cat /proc/cpuinfo
hart   : 0
isa    : rv64imafdc
mmu    : sv39
uarch  : sifive,rocket0

xiuos@lowrisc:~$ uname -a
Linux lowrisc 4.18.0-gc81ff0d #48 Thu Oct 18 16:00:24 BST 2018 riscv64 GUN/linux
xiuos@lowrisc:~$

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