一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)RISC-V

RISC-V是一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)（ISA）。

這里要明確兩個(gè)概念：指令集規(guī)范（Specification）和處理器實(shí)現(xiàn)（Implementation）是兩個(gè)不同層次的概念，要區(qū)分開(kāi)。指令集（ISA）是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，往往用一本書(shū)或幾張紙來(lái)記錄描述，而處理器實(shí)現(xiàn)是基于指令集規(guī)范完成的源代碼。RISC-V是一個(gè)指令集規(guī)范。

我們可以基于x86/ARM/ RISC-V指令集，進(jìn)行處理器微架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)形成源代碼，并通過(guò)流片最終形成芯片產(chǎn)品。其中指令集規(guī)范與處理器實(shí)現(xiàn)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是獨(dú)立的，不能混為一談。

"RISC-V是開(kāi)源的"表示指令集規(guī)范是開(kāi)源、開(kāi)放和免費(fèi)的（open and free），這與x86與ARM指令集有本質(zhì)不同，但并不是指具體的處理器實(shí)現(xiàn)也都是開(kāi)源免費(fèi)的。

基于RISC-V指令集規(guī)范，既可以由開(kāi)源社區(qū)來(lái)開(kāi)發(fā)開(kāi)源免費(fèi)版的處理器實(shí)現(xiàn)（如Berkeley開(kāi)發(fā)的Rocket核等），也可以有商業(yè)公司開(kāi)發(fā)收費(fèi)授權(quán)版的處理器實(shí)現(xiàn)（如國(guó)內(nèi)平頭哥玄鐵910、芯來(lái)N200核與優(yōu)矽渭河WH-32核等）。

下面按照實(shí)現(xiàn)難度大致排序

新增1、tinyriscv

tinyriscv

實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)單核32位的小型RISC-V處理器核(tinyriscv)，采用verilog語(yǔ)言編寫(xiě)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)標(biāo)ARM Cortex-M3系列處理器。tinyriscv有以下特點(diǎn)：

支持RV32IM指令集，通過(guò)RISC-V指令兼容性測(cè)試；

采用三級(jí)流水線，即取指，譯碼，執(zhí)行；

可以運(yùn)行C語(yǔ)言程序；

支持JTAG，可以通過(guò)openocd讀寫(xiě)內(nèi)存(在線更新程序)；

支持中斷；

支持總線；

支持FreeRTOS；

支持通過(guò)串口更新程序；

容易移植到任何FPGA平臺(tái)(如果資源足夠的話)；

整體架構(gòu)

RIDECORE (RISc-v Dynamic Execution CORE) 是一個(gè)用 Verilog HDL 編寫(xiě)的亂序 RISC-V 處理器。

RIDECORE 的微架構(gòu)基于“現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)：超標(biāo)量處理器的基礎(chǔ)”。因此，我們建議用戶在使用 RIDECORE 之前閱讀本書(shū)和我們的文檔。

到目前為止，我們的 FPGA 原型設(shè)計(jì)已經(jīng)在 Xilinx VC707 板進(jìn)行了原型驗(yàn)證。該原型可以在 50MHz 的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。

ridecode的架構(gòu)如下：

新增3、nanoFOX

可以“觸摸”的RISC-V。

使用SystemVerilog實(shí)現(xiàn)的一個(gè)小型RISC-V CPU內(nèi)核。這是一個(gè)帶有AHB和緩存（完整命令列表RV32I（沒(méi)有fence、fence.i、ecall、ebreak））的RV-CPU版本。

nanoFOX 目前可以在這些 FPGA 板上工作：

Storm_IV_E6_V2（Altera Cyclone IV FPGA）

rz_easyFPGA_A2_1（Altera Cyclone IV FPGA）

Terasic DE10-Lite（Altera MAX10 FPGA）

Terasic DE0-Nano（Altera Cyclone IV FPGA）

整個(gè)項(xiàng)目文件夾整理的非常清晰，每個(gè)板卡有單獨(dú)的文件夾，同時(shí)仿真文件齊全，構(gòu)建項(xiàng)目也簡(jiǎn)單，值得一試。

1、darkriscv

一晚從頭開(kāi)始實(shí)現(xiàn)開(kāi)源RISC-V！

盡管與其他 RISC-V 實(shí)現(xiàn)相比，代碼小而粗糙，但是作為初學(xué)或者初識(shí)RISC-V很友善（簡(jiǎn)易）。雖然很簡(jiǎn)易，但DarkRISCV具有許多令人印象深刻的功能：

實(shí)現(xiàn)大部分 RISC-V RV32E 指令集

實(shí)現(xiàn)大部分RISC-V RV32I指令集（缺少csr*、e和fence）

在超大規(guī)模 ku040 中工作頻率高達(dá) 250MHz（400MHz 帶超頻?。?/p>

便宜的 spartan-6 高達(dá) 100MHz，適合小型 spartan-3E，例如 XC3S100E！

大多數(shù)時(shí)間（通常是 71% 的時(shí)間）可以維持每條指令 1 個(gè)時(shí)鐘

靈活的哈佛架構(gòu)（易于集成緩存控制器、總線橋等）

在 xilinx（spartan-3、spartan-6、spartan-7、artix-7、kintex-7 和 kintex ultrascale）中運(yùn)行良好

與一些altera和lattice FPGA一起工作得很好

適用于 RISC-V 的 gcc 9.0.0（無(wú)需補(bǔ)?。。?/p>

使用 850-1500LUT（核心僅使用 LUT6 技術(shù)，取決于啟用的功能和優(yōu)化）

可選的 RV32E 支持（與 LUT4 FPGA 配合使用效果更好）

可選的 16x16 位 MAC 指令（用于數(shù)字信號(hào)處理）

可選的粗粒度多線程 (MT)

流水線階段之間沒(méi)有互鎖！

BSD 許可證：可以在任何地方使用，沒(méi)有限制！

是不是迫不及待去試一試了！

2、picoRiscV

這個(gè)其實(shí)不需要過(guò)多介紹了，小巧且完善的RISC-V。

PicoRV32 是實(shí)現(xiàn)RISC-V RV32IMC 指令集的 CPU 內(nèi)核。它可以配置為 RV32E、RV32I、RV32IC、RV32IM 或 RV32IMC 內(nèi)核，并可選擇包含內(nèi)置中斷控制器。

特點(diǎn)：

小型（7 系列 Xilinx 架構(gòu)中的 750-2000 個(gè) LUT）

高 fmax（7 系列 Xilinx FPGA 上為 250-450 MHz）

可選擇的本機(jī)內(nèi)存接口或 AXI4-Lite 主控

可選的 IRQ 支持（使用簡(jiǎn)單的自定義 ISA）

可選的協(xié)處理器接口

該 CPU 旨在用作 FPGA 設(shè)計(jì)和 ASIC 中的輔助處理器。由于其高fmax，它可以集成到大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，而無(wú)需跨越時(shí)鐘域。當(dāng)在較低頻率下運(yùn)行時(shí)，它會(huì)有很多時(shí)序裕量，因此可以添加到設(shè)計(jì)中而不會(huì)影響時(shí)序收斂。

3、cva6

CVA6 是一個(gè) 6 級(jí)、有序 CPU，它實(shí)現(xiàn)了 64 位 RISC-V 指令集。它完全實(shí)現(xiàn)了 I、M、A 和 C 擴(kuò)展，如第 I 卷：用戶級(jí) ISA V 2.3 以及特權(quán)擴(kuò)展草案 1.10 中所述。它實(shí)現(xiàn)了三個(gè)權(quán)限級(jí)別 M、S、U 以完全支持類 Unix 操作系統(tǒng)。公眾號(hào)：OpenFPGA

它具有可配置的大小、單獨(dú)的 TLB、硬件 PTW 和分支預(yù)測(cè)（分支目標(biāo)緩沖區(qū)和分支歷史表）。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少關(guān)鍵路徑長(zhǎng)度。

4、VexRiscv

用 SpinalHDL 編寫(xiě)的 RISC-V 實(shí)現(xiàn)。以下是一些規(guī)格：

RV32I[M][A][F[D]][C] 指令集

流水線從 2 到 5+ 個(gè)階段（[Fetch*X]、Decode、Execute、[Memory]、[WriteBack]）

1.44 DMIPS/Mhz --no-inline 當(dāng)幾乎所有功能都啟用時(shí)（1.57 DMIPS/Mhz 當(dāng)分頻器查找表啟用時(shí)）

針對(duì) FPGA 進(jìn)行了優(yōu)化，不使用任何供應(yīng)商特定的 IP /原語(yǔ)

AXI4、Avalon、wishbone

可選的 MUL/DIV 擴(kuò)展

可選 F32/F64 FPU（目前需要數(shù)據(jù)緩存）

可選的指令和數(shù)據(jù)緩存，公眾號(hào)：OpenFPGA

可選硬件重新填充 MMU

可選的調(diào)試擴(kuò)展允許通過(guò) GDB >> openOCD >> JTAG 連接進(jìn)行 Eclipse 調(diào)試

RISC-V 特權(quán) ISA 規(guī)范 v1.10 中定義的機(jī)器、[Supervisor] 和 [User] 模式的可選中斷和異常處理。

移位指令的兩種實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)沃芷冢ㄈ笆揭莆黄鳎┖蛃hiftNumber周期

每個(gè)階段可以有可選的旁路或互鎖危險(xiǎn)邏輯

Linux 兼容

Zephyr兼容

FreeRTOS 端口

下面是運(yùn)行的最高主頻及消耗的資源：

VexRiscv?small?(RV32I,?0.52?DMIPS/Mhz,?no?datapath?bypass,?no?interrupt)?->
????Artix?7?????->?243?Mhz?504?LUT?505?FF?
????Cyclone?V???->?174?Mhz?352?ALMs
????Cyclone?IV??->?179?Mhz?731?LUT?494?FF?
????iCE40???????->?92?Mhz?1130?LC

VexRiscv?small?(RV32I,?0.52?DMIPS/Mhz,?no?datapath?bypass)?->
????Artix?7?????->?240?Mhz?556?LUT?566?FF?
????Cyclone?V???->?194?Mhz?394?ALMs
????Cyclone?IV??->?174?Mhz?831?LUT?555?FF?
????iCE40???????->?85?Mhz?1292?LC

VexRiscv?small?and?productive?(RV32I,?0.82?DMIPS/Mhz)??->
????Artix?7?????->?232?Mhz?816?LUT?534?FF?
????Cyclone?V???->?155?Mhz?492?ALMs
????Cyclone?IV??->?155?Mhz?1,111?LUT?530?FF?
????iCE40???????->?63?Mhz?1596?LC

VexRiscv?small?and?productive?with?I$?(RV32I,?0.70?DMIPS/Mhz,?4KB-I$)??->
????Artix?7?????->?220?Mhz?730?LUT?570?FF?
????Cyclone?V???->?142?Mhz?501?ALMs
????Cyclone?IV??->?150?Mhz?1,139?LUT?536?FF?
????iCE40???????->?66?Mhz?1680?LC

VexRiscv?full?no?cache?(RV32IM,?1.21?DMIPS/Mhz?2.30?Coremark/Mhz,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?static?branch)?->
????Artix?7?????->?216?Mhz?1418?LUT?949?FF?
????Cyclone?V???->?133?Mhz?933?ALMs
????Cyclone?IV??->?143?Mhz?2,076?LUT?972?FF?

VexRiscv?full?(RV32IM,?1.21?DMIPS/Mhz?2.30?Coremark/Mhz?with?cache?trashing,?4KB-I$,4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?static?branch)?->
????Artix?7?????->?199?Mhz?1840?LUT?1158?FF?
????Cyclone?V???->?141?Mhz?1,166?ALMs
????Cyclone?IV??->?131?Mhz?2,407?LUT?1,067?FF?

VexRiscv?full?max?perf?(HZ*IPC)?->?(RV32IM,?1.38?DMIPS/Mhz?2.57?Coremark/Mhz,?8KB-I$,8KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?dynamic?branch?prediction?in?the?fetch?stage,?branch?and?shift?operations?done?in?the?Execute?stage)?->
????Artix?7?????->?200?Mhz?1935?LUT?1216?FF?
????Cyclone?V???->?130?Mhz?1,166?ALMs
????Cyclone?IV??->?126?Mhz?2,484?LUT?1,120?FF?

VexRiscv?full?with?MMU?(RV32IM,?1.24?DMIPS/Mhz?2.35?Coremark/Mhz,?with?cache?trashing,?4KB-I$,?4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?dynamic?branch,?MMU)?->
????Artix?7?????->?151?Mhz?2021?LUT?1541?FF?
????Cyclone?V???->?124?Mhz?1,368?ALMs
????Cyclone?IV?->?128?Mhz?2,826?LUT?1,474?FF?

VexRiscv?linux?balanced?(RV32IMA,?1.21?DMIPS/Mhz?2.27?Coremark/Mhz,?with?cache?trashing,?4KB-I$,?4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?catch?exceptions,?static?branch,?MMU,?Supervisor,?Compatible?with?mainstream?linux)?->
????Artix?7?????->?180?Mhz?2883?LUT?2130?FF?
????Cyclone?V???->?131?Mhz?1,764?ALMs
????Cyclone?IV??->?121?Mhz?3,608?LUT?2,082?FF?

VexRiscv有個(gè)官方的SoC：Briey，使用AXI接口。和Rocket Chip一樣，支持Verilator+OpenOCD+GDB仿真。和Rocketchip一樣都是使用scala解釋器sbt工具.

關(guān)于Spinal，可以查看《從Verilog到SpinalHDL》。

以上幾個(gè)小項(xiàng)目都適合了解和入門RISC-V，簡(jiǎn)易是最大的特點(diǎn)，最主要的是都可以在FPGA開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，而且對(duì)FPGA要求也不高。

接下來(lái)就是幾個(gè)成熟點(diǎn)的項(xiàng)目了。

5、平頭哥無(wú)劍100

平頭哥無(wú)劍100

文檔目錄如下：

|--Project????????????????//open?source?project?work?directory??
??|--riscv_toolchain??????//tool?chain?install?directory?download?from?t-head.cn
??|--wujian100_open???????//wujian100_open?project?get?from?github
????|--case???????????????//test?case?example?for?simulation
????|--doc????????????????//wujian100_open?user?guide
????|--fpga???????????????//FPGA?script
????|--lib????????????????//compile?script?for?simulation
????|--regress????????????//regression?result
????|--sdk????????????????//software?design?kit
????|--soc????????????????//Soc?RTL?source?code
????|--tb?????????????????//test?bench
????|--tools??????????????//simulation?script?and?setup?file
????|--workdir????????????//simulation?directory
????|--LICENSE
????|--README.md

6、Hummingbirdv2 E203 Core and SoC

芯來(lái)科技研發(fā)的一款RISC-V core&SOC，是SI-RISCV/e200_opensource (https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource)的進(jìn)階版。

該存儲(chǔ)庫(kù)托管開(kāi)源 Hummingbirdv2 E203 RISC-V 處理器內(nèi)核和 SoC 的項(xiàng)目，它由基于中國(guó)大陸的領(lǐng)先 RISC-V IP 和解決方案公司Nuclei System Technology開(kāi)發(fā)和開(kāi)源。公眾號(hào)：OpenFPGA

這是SI-RISCV/e200_opensource中維護(hù)的Hummingbird E203項(xiàng)目的升級(jí)版，所以我們稱之為Hummingbirdv2 E203.

在這個(gè)新版本中，我們有以下更新。

為 E203 內(nèi)核添加 NICE（Nuclei Instruction Co-unit Extension），因此用戶可以輕松創(chuàng)建帶有 E203 內(nèi)核的定制硬件協(xié)同單元。

將PULP Platform的APB接口外設(shè)（GPIO、I2C、UART、SPI、PWM）集成到Hummingbirdv2 SoC中，這些外設(shè)采用Verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，便于用戶理解。

為 Hummingbirdv2 SoC 添加新的開(kāi)發(fā)板（Nuclei ddr200t 和 mcu200t）支持。

7、香山開(kāi)源高性能處理器

“香山”基于Chisel語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，支持多核，采用亂序執(zhí)行、11級(jí)流水、6發(fā)射。采用28nm臺(tái)積電工藝預(yù)計(jì)達(dá)到1.3Ghz主頻，采用中芯國(guó)際14nm工藝預(yù)計(jì)達(dá)到2Ghz主頻。性能評(píng)估為7/Ghz(SEPC2006)，換言之，第一版的雁棲湖架構(gòu)對(duì)標(biāo)的是ARM A72/A73。

“香山”第二代南湖架構(gòu)的目標(biāo)是10/G，在采用中芯國(guó)際14nm工藝的情況下主頻達(dá)到2Ghz。從參數(shù)上看，南湖架構(gòu)對(duì)標(biāo)的是A76，2G主頻下SPEC06達(dá)到20分。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，裸CPU性能在RISC-V處理器中是首屈一指的。

架構(gòu)如下：

8、木心處理器

木心處理器是一系列易于學(xué)習(xí)的 RISC-V 處理器和相關(guān)的基于 VSCode 的 IDE 稱為 TreeCore，具有豐富、詳細(xì)和交互式的在線教程，對(duì)初學(xué)者很友好。基于 VSCode 的 IDE 集成了代碼分析、波形模擬功能，可以自動(dòng)從云服務(wù)器中查找和組裝特定的工具鏈、IP 核和庫(kù)依賴項(xiàng)，以開(kāi)發(fā)處理器或應(yīng)用程序。

特征：

對(duì)verilog、vhdl、chisel 和spinalHDL 的完整語(yǔ)言支持。

現(xiàn)代用戶界面

輕便、開(kāi)箱即用的功能

GPU 加速以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)渲染

9、Rocket

（UCB）標(biāo)量處理器：64位、5級(jí)流水線、但發(fā)射順序執(zhí)行處理器，特征：

支持MMU，支持分頁(yè)虛擬內(nèi)存?？梢砸浦驳絃inux操作系統(tǒng)

具有兼容的的IEEE 754-2008標(biāo)準(zhǔn)的FPU

具有分支預(yù)測(cè)功能，具有BPB（Branch Prediction Buff）、BHT（Branch History Table）、RAS（Return Address Stack）

Rocket同樣采用Chisel語(yǔ)言編寫(xiě)；

10、BOOM

（UCB）超標(biāo)量亂序執(zhí)行處理器；

BOOM也是采用Chisel編寫(xiě)，全部代碼大約9000行；指令為RV64G

6級(jí)流水線：取指、譯碼/重命名/指令分配、發(fā)射/讀寄存器、執(zhí)行、內(nèi)存訪問(wèn)、回寫(xiě)

11、Sodor

（UCB）針對(duì)教學(xué)的32位開(kāi)源處理器。Chisel編寫(xiě)，支持5種處理器：?jiǎn)沃芷谔幚砥鳌?級(jí)流水線處理器、3級(jí)流水線處理器、5級(jí)流水線處理器、可執(zhí)行微碼的處理器。公眾號(hào)：OpenFPGA

早期出于教學(xué)目的處理器，使用Chisel編寫(xiě)，沒(méi)有什么實(shí)際商用價(jià)值。已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有更新了。

結(jié)構(gòu)相對(duì)清晰一些，如對(duì)不同深度PipeLine都有描述（分別有1階、2階、3階和5階）；可以作為很好的示范代碼

12、YARVI

VARVI是RISC-V愛(ài)好者Tommy Thorn設(shè)計(jì)發(fā)布的簡(jiǎn)單的、32位開(kāi)源處理器，實(shí)現(xiàn)了RV32I，使用Verilog，目標(biāo)是為了能夠清晰準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)RV32I

13、Pulpino

由蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)與意大利博洛尼亞大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。32位，指令集：RV32I/RV32C/RV32M，擴(kuò)展了RISC-V指令；多核

14、GRVI Phalanx

大規(guī)模并行RISC-V（最多到千核），2~3級(jí)流水線，32位，其中在Artix-7 35T開(kāi)發(fā)板上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)32 RISC-V處理器；在PYNQ-Z1上實(shí)現(xiàn)了80核；在UltraScale上實(shí)現(xiàn)了1680核的RISC-V；不開(kāi)源

15、Ibex

提到開(kāi)源RISC-V就不能不提Riscy系列了，尤其是zero-riscy，使用很廣泛。Ibex是脫胎于zero-riscy的core，支持RV32IMC及一些Z系列指令，由LowRISC維護(hù)。Ibex小巧精悍，文檔詳實(shí)，學(xué)習(xí)資料豐富，支持verilator，可以使用verilator+openOCD+GDB 仿真時(shí)debug。對(duì)于我這樣的重度Verilator依賴者來(lái)說(shuō)非常友好。

Ibex支持machine mode和user mode兩種privilege mode，可以實(shí)現(xiàn)比單machine mode更加豐富的功能。Ibex采用system verilog開(kāi)發(fā)，對(duì)于傳統(tǒng)的IC工程師是個(gè)好消息。Ibex現(xiàn)在也支持了指令cache了，提高了performance，但裝了cache會(huì)讓core變得臃腫很多，對(duì)于學(xué)習(xí)cache controller的設(shè)計(jì)是個(gè)好事情。

Ibex使用類TLUL的自定義接口，官方的SoC是PULP。Google的OpenTitan項(xiàng)目也是基于Ibex。相關(guān)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)資料算是相當(dāng)多了。

16、SweRV EH1

SweRV EH1是WD開(kāi)發(fā)的其中一款RISC-V core，支持RV32IMC，雙發(fā)射，單線程，9級(jí)流水，性能應(yīng)該說(shuō)是相當(dāng)不錯(cuò)，28nm可以跑到1GHz。而且還有份詳細(xì)的文檔，不愧是大廠出品。

SweRV是使用Verilog/System Verilog開(kāi)發(fā)，使用AXI接口，對(duì)熟悉AMBA且不想去學(xué)Chisel及Scala的同學(xué)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)友好了。而且支持verilator，必須點(diǎn)贊。值得一提的是SweRV帶指令cache，且實(shí)現(xiàn)了豐富的cache maintenance自定義指令，非常值得學(xué)習(xí)。