“人生若只如初见”——RISC-V

本文介绍了RISC-V指令集架构的背景及其作为CPU灵魂的重要性,对比了复杂的X86和ARM架构。作者参与了一项基于蜂鸟E203RISC-V内核的SoC设计比赛,面临硬件成本和移植教程稀缺的挑战,最终在实验室支持下购得开发板进行实践。文章分享了CPU的五级流水线原理和数据通路,并预告了E203soc内核移植教程。

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提起RISC-V,我们不得不提的一个词便是指令集架构(ISA)

那么,何谓“ISA”,ISA可以称得上是CPU的灵魂,有时简称为“架构”或者称为“处理器架构”。

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 上图对ISA做了一个详细的描述,这里便不再赘述。

有了指令集架构,便可以使用不同的处理器硬件实现方案来设计不同性能的处理器。处理器的具体硬件实现方案称为微架构(Microarchitecture)

RISC-V(英文读作“risk-five”),是一种全新的指令集架构。RISC-V架构主要由美国加州大学伯克利分校的几名教授于2010年发明。伯克利的开发人员之所以发明一套新的指令集架构,而不是使用成熟的X86或者arm架构,是因为这些架构经过多年的发展,变得极为复杂和冗杂,并且存在高昂的专利和架构授权问题。因此,RISC-V架构是一种全新的,简单且开放免费的指令集架构

 

简单介绍一些CPU原理:

1.经典的五级流水线

一条指令的流程:取指>译码>执行>访存>写回

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简单提及一个概念:流水线深度

越来越深的流水线:追求高性能

越来越浅的流水线:追求低功耗

2.CPU数据通路

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关于比赛

赛题:基于蜂鸟E203 RISC-V内核的智能识别SoC设计与应用系统开发

内容:基于芯来科技的开源蜂鸟E203 Demo SoC(e203_hbirdv2)进行扩展, 在限定的可编程逻辑平台上构建面向智能识别应用领域的SoC,进而完成实际的应用系统开发。要求在所搭建的SoC中实现专门的硬件加速器以提高系统整体性能,所实现的应用系统具有创新性、实用性以及市场应用前景。

吐槽一下:借不到&买不起板子也太劝退了

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 (Nuclei MCU200T,售价2499)

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 (Nuclei DDR200T,售价4999)

最后在实验室王学长的支持下,买到了一款开发板

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 (达芬奇pro 35T,售价1526)

熟悉板子,最头疼的还是将E203 soc内核移植到板子里(网上教程几乎为0)

移植教程会在后续发出

分享只为学习交流,还望大佬们不吝赐教🥰

 

### 回答1: 很高兴听到您对RISC-V处理器的兴趣。设计CPU是一项复杂的任务,需要深入的计算机体系结构知识和硬件设计技能。以下是一些基本步骤,可以帮助您开始设计RISC-V处理器: 1.了解RISC-V架构:RISC-V是一种开放源代码指令集架构,它的设计旨在简化处理器的设计和实现。您需要了解RISC-V的指令集、寄存器、内存管理和异常处理等方面的基本知识。 2.选择设计工具:设计CPU需要使用硬件描述语言(HDL),如Verilog或VHDL。您需要选择一个合适的设计工具,如Xilinx Vivado或Altera Quartus等。 3.设计处理器核心:处理器核心是CPU的主要组成部分,它包括指令译码、执行单元、寄存器文件和数据通路等。您需要根据RISC-V架构的要求设计处理器核心。 4.实现内存管理单元:内存管理单元(MMU)是处理器的重要组成部分,它负责管理内存访问和虚拟地址转换等。您需要实现MMU以支持RISC-V的内存管理功能。 5.测试和验证:设计CPU后,您需要进行测试和验证以确保其正确性和性能。您可以使用仿真工具进行测试,或者使用FPGA进行验证。 以上是设计RISC-V处理器的基本步骤,但这只是一个简单的概述。设计CPU需要深入的计算机体系结构知识和硬件设计技能,需要不断学习和实践。希望这些信息能够帮助您开始设计RISC-V处理器。 ### 回答2: RISC-V处理器是一款开源的指令集架构,目前被广泛应用于各种类型的芯片设计中,如移动设备、网络设备、服务器等。在学习如何设计RISC-V处理器之前,我们需要先了解一些基本的概念和技术。 首先,指令集架构(ISA)是处理器硬件和软件之间通信的接口规范,决定了处理器可以解释和执行哪些指令。在RISC-V处理器中,指令集被分为不同的“指令集扩展”模块,包括基本指令集、乘除运算指令集、浮点运算指令集等。每个扩展模块都包含一组相关的指令,为定制和优化处理器提供了灵活性。 其次,流水线技术是处理器设计中常用的性能优化手段。流水线是一个分阶段的处理器执行单元,每个阶段依次执行指令的不同部分,从而实现指令并行执行。然而,流水线可能会遇到数据相关性和控制相关性等问题,需要使用一些技术来解决。 最后,硬件描述语言(HDL)是描述数字电路和系统的语言,可以使用HDL来描述处理器的逻辑电路和功能实现。常见的HDL包括Verilog和VHDL,可以使用这些语言来实现RISC-V处理器的功能模块。 接下来,我们可以手把手教你如何设计RISC-V处理器: 第一步,定义指令集。定义指令集是设计处理器的第一步,需要确定基本指令集并考虑扩展模块的需求。 第二步,确定处理器流水线架构。处理器流水线架构的设计涉及指令的分阶段执行和数据通路的设计,需要考虑处理器性能和复杂度的平衡。 第三步,实现处理器的逻辑电路。通过HDL语言来实现RISC-V处理器的逻辑电路和功能模块,包括控制单元、寄存器文件和运算单元等。 第四步,进行仿真和验证。仿真和验证是测试处理器功能和性能的关键步骤,可以使用EDA工具来进行仿真和验证。 第五步,进行物理设计。物理设计涉及到处理器芯片的物理规划、布图和布线等步骤,需要协同进行。 以上是大致的设计流程,实际上,RISC-V处理器设计需要考虑的因素还有很多,例如内存管理、中断处理等等。不过,只要按照步骤逐步设计,加上充分的沟通和协作,基本上都能够顺利完成设计任务。 ### 回答3: RISC-V是一个完全开源的指令集架构,可以自由使用和修改,非常适合自己设计CPU。以下是手把手教你设计CPU-RISC-V处理器篇。 第一步:确定CPU体系结构和指令集 首先,需要确定CPU的体系结构和指令集。RISC-V提供了多个不同级别的指令集,每个级别的指令集都有不同的指令数量、复杂度和性能。根据自己的需要和能力,选择适合自己的指令集。 第二步:设计CPU数据通路 设计CPU的数据通路需要确定如何实现指令的执行和数据的传输。可以使用硬件描述语言(例如Verilog)来描述数据通路。对于RISC-V处理器,需要实现以下基本单元:ALU(算术逻辑单元)、寄存器文件、存储器控制器和指令解码器。 第三步:测试CPU 设计完成后,需要对CPU进行测试。可以使用模拟器来模拟CPU的运行,也可以将CPU制成芯片进行实际测试。在测试期间,可以使用不同的指令和数据来验证CPU的正确性和性能。 第四步:优化CPU 一旦确认CPU能够正确运行,就可以开始优化CPU的性能。可以使用一些技术来提高CPU的性能和功效,例如通过流水线、分支预测、数据缓存等方式提高数据传输和处理效率。 总结: 设计RISC-V处理器需要确定体系结构和指令集,设计数据通路,测试和优化。这个过程需要深厚的计算机体系结构和数字电路设计的知识,同时要有足够的耐心和毅力。通过这个过程,可以获得极为满足和有成就感的终极收获。
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