RISC-V架構(gòu)開源CPU的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

郭 勇 羅 樂 劉森態(tài) 付 強(qiáng) 馬 超 劉娟秀 賴祥軍

1.成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院 四川 成都 611730

2.重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065

一、引言

集成電路是一個國家安全大門的鑰匙，是整個電子信息產(chǎn)業(yè)皇冠上的寶石[1-2]。中央處理器(CPU)代表了集成電路的核心技術(shù)，我國在集成電路上的進(jìn)口總金額已超過石油進(jìn)口的總金額，近年我國已將發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，尤其是發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用CPU芯片產(chǎn)業(yè)上升到國家戰(zhàn)略高度，促使龐大的資本和人力涌入到集成電路設(shè)計領(lǐng)域。國內(nèi)缺乏通用處理器的根本原因主要是指令集架構(gòu)(ISA)的缺乏，目前廣泛使用的x86架構(gòu)、ARM架構(gòu)、MIPS架構(gòu)和PowerPC架構(gòu)都被國外公司所壟斷，需要支付高昂的授權(quán)使用費(fèi)，而RISC-V架構(gòu)對指令集完全開源，RISC-V基金會僅收取少量的授權(quán)費(fèi)，使得RISC-V處理器越來越受到研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者和芯片設(shè)計領(lǐng)域的重視[3-6]。

二、RISC-V指令集架構(gòu)的基本構(gòu)成

本論文使用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)了一個常用的47條指令二級可變流水線RV32I、重點(diǎn)分析了取值模塊IFU、執(zhí)行模塊EXU，簡要分析了異常和中斷以及調(diào)試模塊的E203 CPU系統(tǒng)。

RV32I指令集是RISC-V指令集架構(gòu)下的基本的32位指令集，它規(guī)定了47條基本指令，包括了32位地址空間與整數(shù)指令，定義了32個32位通用整數(shù)寄存器。RV32I支持4種基本類型指令，格式非常規(guī)范，所有的指令都是固定32位，并且在存儲器中以4字節(jié)對齊[7-8]。

三、基于RISC-V指令集的蜂鳥E203 CPU設(shè)計

本課題基于RISC-V指令集設(shè)計了蜂鳥E203 CPU，其具體設(shè)計內(nèi)容主要包括：(1)E203頂層設(shè)計。采用典型的Top-Down設(shè)計方法將CPU劃分成多個模塊，包括時鐘門控(CLK_CTRL)、中斷控制(IRQ_CTRL)、復(fù)位控制(RESET_CTRL)、ITCM訪問控制(ITCM_CTRL)、DTCM訪問控制(DTCR_CTRL)、取指單元(IFU)、執(zhí)行單元(EXU)、存儲器訪問(LSU)、總線接口(BIU)。其頂層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊頂層設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖2 IFU微架構(gòu)圖

(2)取值單元微架構(gòu)。取指是流水線第一步，它要求以最快的速度且連續(xù)不斷地從存儲器取出指令供處理器核執(zhí)行。在E203 CPU中利用Mini-Decode模塊對取回的地址進(jìn)行簡單譯碼，使用Simple-BPU進(jìn)行簡單的分支預(yù)測，利用PC生成模塊產(chǎn)生新取值PC地址，借助地址判斷和ICB總線控制模塊來訪問PC地址所對應(yīng)的ITCM或BIU。其微架構(gòu)如圖2所示。

(3)執(zhí)行單元微架構(gòu)。蜂鳥E203 CPU的譯碼、執(zhí)行、交付和寫回均在EXU模塊中運(yùn)行。從IFU模塊取出指令后，執(zhí)行單元首先通過譯碼和派遣模塊完成指令譯碼和派遣，接著將譯碼出的操作數(shù)，借助RD-Regfile模塊讀取Regfile，同時將指令派遣給不同的運(yùn)算單元，例如算術(shù)模塊ALU、長指令模塊Long-Pipes、寄存器訪問模塊LSU、以及擴(kuò)展協(xié)處理器EAI。如果在程序執(zhí)行過程中有中斷、異常以及帶條件跳轉(zhuǎn)指令，則通過交付模塊判斷是否進(jìn)行流水線沖刷。在長指令執(zhí)行過程中，使用OITF模塊維護(hù)長指令的數(shù)據(jù)相關(guān)性。最后，通過WB-Regfile模塊完成指令運(yùn)算結(jié)果的寫回。EXU微架構(gòu)如圖3所示。

圖3 EXU微架構(gòu)圖

(4)總線接口單元微架構(gòu)。BIU使用標(biāo)準(zhǔn)的ICB總線接口，主要負(fù)責(zé)接收IFU和LSU單元的存儲器訪問請求并判斷出訪問地址區(qū)間從而訪問不同的外部接口。BIU有兩組輸入ICB總線接口，兩組輸入ICB總線經(jīng)過ICB匯合模塊仲裁優(yōu)先級匯合成一組。通過使用Ping-Pong Buffer模塊解決流水線反壓時序問題。接著通過地址判斷模塊來產(chǎn)生分發(fā)信息，訪問不同的模塊，例如私有外設(shè)、系統(tǒng)存儲等。BIU微架構(gòu)如圖4所示。

圖4 SoC總線微架構(gòu)圖

四、RISC-VE203CPU的設(shè)計驗(yàn)證

圖5 串口打印“CDTU”字符串

圖6 流水燈程序控制

本課題最終設(shè)計的蜂鳥E203 CPU在Xilinx XC7A100T芯 片F(xiàn)PGA開發(fā)平臺上完成了驗(yàn)證工作，驗(yàn)證的結(jié)果分別如圖5和圖6所示。圖5是將E203內(nèi)核配置在FPGA上，利用編譯器完成串口的調(diào)試，打印出成都工業(yè)學(xué)院簡稱“CDTU”；圖6是在E203片上系統(tǒng)中燒寫流水燈程序，每個0.5秒循環(huán)點(diǎn)亮一個LED；上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計的正確性。

五、結(jié)論

本論文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了RISC-V32位流水線架構(gòu)E203 CPU，限于文章篇幅還是盡可能完整地展現(xiàn)了該CPU的整體結(jié)構(gòu)和模塊功能，著重分析了頂層架構(gòu)、IFU微架構(gòu)、EXU微架構(gòu)以及BIU微架構(gòu)，編寫了可運(yùn)行于RISCV架構(gòu)CPU的應(yīng)用程序，并最終在Xilinx Artix-7FPGA開發(fā)板上驗(yàn)證了設(shè)計的正確性。