SUSTech CS202 Course Project: MineCPU

南方科技大学 2024 年春季 CS202 计算机组成原理 的课程 Project

支持 RISC-V ISA 的冯诺依曼架构含 Cache 和异常控制并附带手搓 UART 的标准五级 pipeline CPU

附带汇编版吃豆人代码，能够通过 UART 传输至 CPU 运行

HAVE FUN ! ! ! 😆

对 MineCPU 更详细的说明可参阅 项目报告文档

小组成员及分工

成员	CPU核心	IO	仿真 & 测试	汇编 & 应用	报告
@wLUOw	✔️		✔️		✔️
@Yao1OoO		✔️		✔️	✔️
@chanbengz	✔️		✔️		✔️

项目结构

MineCPU
├── docs
│   ├── pic                     # pictures used
│   ├── Architecture.drawio     # design draft
│   ├── project_desciption.pdf  # project description
│   ├── Report.md               # report of this project
│   └── riscv-card.pdf          # ISA reference
├── generated
│   └── *.bit                   # bitstream file with different configurations
├── program
│   ├── lib                     # library of hardware API (driver)
│   ├── pacman                  # game by C++ (easier cross-compiling to RV)
│   └── testcase                # used for project presentation
├── sources
│   ├── assembly
│   │   ├── *.asm               # assembly code for test and fun
│   │   ├── *.coe               # hex version of machine code
│   │   └── *.txt               # data using UART to be put into memory            
│   ├── constrain
│   │   └── constr.xdc          # constrain file
│   ├── core
│   │   ├── *.sv                # code of CPU core
│   │   └── *.svh               # head file for constant
│   ├── io
│   │   └── *.sv                # code related to IO and Clock
│   ├── sim
│   │   ├── *.cpp               # verilator simulation
│   │   └── *.sv                # vivado simulation
│   └── Top.sv                  # top module of MineCPU
├── test
│   ├── DiffTest.cpp            # differential test of CPU
│   ├── *.sv                    # on-board-test code
│   └── *.xdc                   # on-board-test constrain
├── tools
│   ├── inst2txt.py             # instruction to text file for UART
│   ├── ecall2sv.py             # coe to code for burning into ROM
│   └── UARTAssist.exe          # tool for UART
├── .gitignore
├── LICENSE
└── README.md

完成列表

• CPU 核心
  • IF Stage
    • 分支预测模块 (Branch Prediction) *
      • 预解码 (Pre-Decode) *
      • 分支历史缓存 (Branch History Table) *
      • 返回地址栈 (Return Address Stack) *
    • 指令缓存 (Instruction Cache) *
      • 直接映射 (Direct Mapping) *
      • 预取指 (Pre-Fetch)
  • ID Stage
    • 立即数生成模块 (ImmGen)
    • 寄存器模块 (Register File)
    • 控制模块 (Control Unit)
    • 数据冒险停顿模块 (Hazard Detection)
  • EX Stage
    • 算术逻辑 (ALU)
      • RV32I
      • RV32M *
    • 分支判断 (BRU)
    • 前递模块 (Forward Unit) *
  • MEM Stage
    • Byte / Halfword / Word 的存取
    • 数据缓存 (Data Cache) *
      • 直接映射 (Direct Mapping) *
      • 写回策略 (Write Back) *
  • WB Stage
  • Memory
    • MMIO
    • 异常执行指令 (ROM)
  • 异常控制 (ecall & sret) *
• IO
  • 拨码开关 & 按钮
  • 4*4 小键盘 *
  • Led & 7 段数码管
  • UART *
  • VGA *
• 软件
  • 测试场景1
  • 测试场景2
  • Pacman *

架构设计

Powered by draw.io

功能

CPU

• 冯诺依曼架构支持 RISC-V 指令集的五级流水线 CPU，CPI 约为 5.1 (存在分支预测未命中和 Cache 未命中产生的停顿)
• 含 32 个 32 bit 的寄存器 (不含 pc 寄存器)
• 寻址单位为 32 bit (4 byte)
• 时钟频率:
  • CPU: 最高可支持 50MHz
  • MEM: 与 CPU 同频
  • VGA: 40MHz
• 分支预测:
  • BHT: 32 entries, 2 bits
  • RAS: 32 entries, 32 bits
• Cache:
  • ICache: 直接映射, 1472 bits, 32 entries
  • DCache: 直接映射/写回, 1504 bits, 32 entries
• 异常控制:
  • ecall: 外部设备驱动, 通过 MMIO 进行输入输出, API doc 见 Environment Call

ISA

RISC-V 基本指令集 (RV32I) 及乘除法拓展 (RV32M)

指令	指令类型	执行操作
add rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 + rs2
sub rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 - rs2
xor rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 ^ rs2
or rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 | rs2
and rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 & rs2
sll rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 << rs2
srl rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 >> rs2
sra rd, rs1, rs2	R	rd = rs1 >> rs2 (sign-extend)
slt rd, rs1, rs2	R	rd = ( rs1 < rs2 ) ? 1 : 0
sltu rd, rs1, rs2	R	rd = ( (u)rs1 < (u)rs2 ) ? 1 : 0
addi rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 + imm
xori rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 ^ imm
ori rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 | imm
andi rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 & imm
slli rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 << imm[4:0]
srli rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 >> imm[4:0]
srai rd, rs1, rs2	I	rd = rs1 >> imm[4:0] (sign-extend)
slti rd, rs1, rs2	I	rd = (rs1 < imm) ? 1 : 0
sltiu rd, rs1, rs2	I	rd = ( (u)rs1 < (u)imm ) ? 1 : 0
lb rd, imm(rs1)	I	读取 1 byte 并做符号位扩展
lh rd, imm(rs1)	I	读取 1 half-word (2 bytes) 并做符号位扩展
lw rd, imm(rs1)	I	读取 1 word (4 bytes)
lbu rd, imm(rs1)	I	读取 1 byte 并做 0 扩展
lhu rd, imm(rs1)	I	读取 2 byte 并做 0 扩展
sb rd, imm(rs1)	S	存入 1 byte
sh rd, imm(rs1)	S	存入 1 half-word (2 bytes)
sw rd, imm(rs1)	S	存入 1 word (4 bytes)
beq rs1, rs2, label	B	if (rs1 == rs2) PC += (imm << 1)
bne rs1, rs2, label	B	if (rs1 != rs2) PC += (imm << 1)
blt rs1, rs2, label	B	if (rs1 < rs2) PC += (imm << 1)
bge rs1, rs2, label	B	if (rs1 >= rs2) PC += (imm << 1)
bltu rs1, rs2, label	B	if ( (u)rs1 < (u)rs2 ) PC += (imm << 1)
bgeu rs1, rs2, label	B	if ( (u)rs1 >= (u)rs2 ) PC += (imm << 1)
jal rd, label	J	rd = PC + 4; PC += (imm << 1)
jalr rd, rs1, imm	I	rd = PC + 4; PC = rs1 + imm
lui rd, imm	U	rd = imm << 12
auipc rd, imm	U	rd = PC + (imm << 12)
ecall	I	控制权交给固件 (采用输入设备模拟)
sret *	I	控制权交还给程序
mul rd, rs1, rs2 *	R	rd = (rs1 * rs2)[31:0]
mulh rd, rs1, rs2 *	R	rd = (rs1 * rs2)[63:32]
mulhsu rd, rs1, rs2 *	R	rd = (rs1 * (u)rs2)[63:32]
mulhu rd, rs1, rs2 *	R	rd = ( (u)rs1 * (u)rs2 )[63:32]
div rd, rs1, rs2 *	R	rd = rs1 / rs2
rem rd, rs1, rs2 *	R	rd = rs1 % rs2

Environment Call

调用 No. (a7)	参数	功能	返回值
0x01	a0	写入 1 Byte 到第一组 LED 显示	N/A
0x02	a0	写入 1 Byte 到第二组 LED 显示	N/A
0x03	a0	写入 4 Bytes 到七段数码管显示	N/A
0x05	N/A	从第一组拨码开关读入 1 Byte	a0
0x06	N/A	从第二组拨码开关读入 1 Byte	a0
0x07	N/A	从第三组拨码开关读入 1 Byte	a0
0x0A	N/A	结束程序 (死循环)	N/A

IO

• 使用 MMIO (Memory Mapping IO，内存映射) 进行 IO 操作并支持 UART
• UART
  • 支持通过软件而非重新烧写 FPGA 的方式进行程序与数据的加载
  • 规格：115200Hz 波特率, 8 data bits, 1 stop bits
  • 数据直接写入内存，在接收过数据后超过约 0.5 秒空闲会触发超时中断，启动 CPU
• 输入 (Input)
  • 24 个拨码开关
  • 5 个按钮
  • 4 × 4 小键盘
• 输出 (Output)
  • 支持 24 个 LED 灯, 其中 8 个用于显示 CPU 状态
  • 7 段数码管, 可显示 4 Bytes
  • VGA
    • 使用软硬件协同的方式实现 (MMIO)，在内存中含有字符缓冲区和颜色缓冲区
    • 800×600 60Hz
    • 单个字符为 8×16 像素，全屏可显示 96×32 个字符，显示区域长宽比为 3 : 2

MMIO 对应地址

地址	读/写	映射内容	取值范围 (省略前导0)
0xFFFFFF00	R	第 1 组拨码开关 (8 个)	0x00 - 0xFF
0xFFFFFF04	R	第 2 组拨码开关 (8 个)	0x00 - 0xFF
0xFFFFFF08	R	第 3 组拨码开关 (8 个)	0x00 - 0xFF
0xFFFFFF0C	W	第 1 组 LED (8 个)	0x00 - 0xFF
0xFFFFFF10	W	第 2 组 LED (8 个)	0x00 - 0xFF
0xFFFFFF14	R	按钮 1 (中)	0x00 - 0x01
0xFFFFFF18	R	按钮 2 (上)	0x00 - 0x01
0xFFFFFF1C	R	按钮 3 (下)	0x00 - 0x01
0xFFFFFF20	R	按钮 4 (左)	0x00 - 0x01
0xFFFFFF24	R	按钮 5 (右)	0x00 - 0x01
0xFFFFFF28	W	七段数码管	0x00000000 - 0xFFFFFFFF
0xFFFFFF2C	R	4*4 小键盘是否被按下	0x00 - 0x01
0xFFFFFF30	R	4*4 小键盘按下位置	0x00 - 0x0F
0xFFFFE___ (000-BFF)	W	VGA 字符	0x00 - 0xFF
0xFFFFD___ (000-BFF)	W	VGA 颜色	0x00 - 0xFF

Pacman

一个由汇编写成的小游戏 (源代码)，能够适配 MineCPU 的 MMIO，汇编代码多达 1856 行，包含 init，stepO，checkover 等方法. 然而 MineCPU 能够成功跑通这个程序，足以证明 MineCPU 的鲁棒性极高.

使用方法

下图为 Minisys 的使用说明图例

详细使用步骤如下：

1. 创建 Vivado 项目：通过 Vivado 创建一个 RTL Project，Project device 选择 xc7a100tfgg484-1，Target Language设置为 VHDL，设置完毕并创建项目后，将 sources 中的 Top.sv 及 sources/core 和 sources/io 目录下的所有 System Verilog 文件作为设计文件导入，再将 sources/constrain 中的 constr.xdc 作为约束文件导入

2. 创建 IP 核

   • 创建 Clocking Wizard

     • 将组件名称改为 VGAClkGen
     • 选择 PLL 时钟
     • 将 clk_in1 的 Source 修改为 Global buffer
     • 将 clk_out1 的频率设置为 40MHz 并取消 reset 信号和 locked 信号
     
     

   • 创建 Block Memory Generator

     • 将组件名称改为 Mem
     • Memory Type 选择 True Dual Port RAM
     • Port A 的 Write Width 修改为 32，Write Depth 修改为 16384 (Read Width, Read Depth 和 Port B 的相关参数会自动修改)
     

3. 在 Vivado 中依次 Synthesis -> Implementation -> Generate Bitstream (注: 可以在等待过程中先进行下面的第 4 和 5 步)，将生成比特流文件 (.bit) 烧写进 FPGA (也可以直接将 generated 目录下的 .bit 文件烧写)

4. 获取执行代码的机器码文件：使用 RARS 打开需要执行的汇编代码，点击运行，再点击左上角 File，选择 Dump Memory，Dump Format 选择 Hexadecimal Text，点击 Dump To File... 并输入文件名后保存 (注: 不需要带后缀)

   

5. 获取 UART 串口传输的文件：将上一步得到的文件放在指令转换脚本 inst2txt.py 同一目录下，打开 inst2txt.py 将第 4 行的 filename 改为上一步所得的文件的名称，运行脚本，得到一个 .txt 文件 (如 test.txt)，这是要通过 UART 串口传输给 CPU 运行的指令

6. 通过 UART 加载程序并运行：打开串口工具 UARTAssist.exe，串口号选择 COM6 (一般来说直接选能选的最后一个)，波特率设置为 115200，打开连接，发送选项选择 “按十六进制发送” 并 “启用文件数据源...”，选择上一步得到的 .txt 文件并确定，然后点击发送，发送完毕后 CPU 将会自动开始运行

   

​

问题及解决方案

• [Memory/Solved] 内存读取数据时传入地址会延迟一个周期读取到数据，且 sh 和 sb 无法直接对内存进行操作.
  • 原因: 使用 ip RAM 生成的内存以 32 bit 为单位进行存或读取，而 sh 和 sb 只修改其中的 16 bit 或 8 bit
  • 解决方案:
    1. ❎ 加快内存时钟频率，先读取再修改最后存入
    2. ✅ 使用 Cache 进行管理
• [Instruction auipc/Solved] 指令 auipc 的实现.
  • 原因: 指令 auipc 需要进行 pc 相关的计算，而 ALU 没有相关数据的输入
  • 解决方案:
    1. ✅ 在 ALU 输入 rs1 的端口前添加选择器，对 pc 和 rs1_data 进行选择，同时拓宽控制信号 ALUSrc
• [jalr Data Hazard/Solved] ret (jalr zero, ra, 0) 指令必须在 ld ra, 0(sp) 4 条指令之后，或者函数指令数必须大于 4，否则会出现异常.
  • 原因: ra 寄存器的更改发生在 4 个周期后，而 ret 指令在访问 ra 寄存器时导致数据冒险
  • 解决方案:
    1. ❎ 保证 ret 指令在 ld ra, 0(sp) 4 条指令后执行 (如在 ret 指令之前插入 nop 指令)
    2. ❎ 进行停顿 / 改进转发单元。前者过于简单，后者工作量太大，且 ld 指令的冒险难以解决。考虑后续增加记分板
    3. ✅ 在分支预测中加入 RAS (Return Address Stack) 结构，在遇到 call 或 ret 指令时将压入 / 弹出 ra 寄存器的内容。那要 ld/sd ra, 4(sp) 有何用 。记录指令跳转目标地址，在 EX 阶段计算实际跳转，并判断是否预测错误，如错误则更新正确 pc 并清空错误指令。由于 EX 阶段不存在 Data Hazard，故解决
• [CPU Clock Rate/Solved] CPU 时钟频率上限较低而影响 CPU 的性能.
  • 原因: 分支预测速度较慢，且在 ID 阶段需等待寄存器的 rs1_data 才可开始执行
  • 解决方案:
    1. ✅ 将分支预测移到 IF 阶段进行，但由于 IF 阶段获取指令后未进行解码，因此需要对指令进行预解码 (否则不仅需要预测是否跳转，同时也需要预测该指令是否为分支指令，较为复杂)
• [UART/Pending] 第一个 Byte 接收会有概率出错 / 丢失.
  • 原因: 未知 (但大概率是 UART 串口工具发送时的小问题)
  • 解决方案:
    1. ✅ 在第 1 条指令预先插入 nop 或 0x00000000
    2. ❎ 使用课程提供的 UART IP 核 (但手搓才是 Project 的浪漫)
• [Branch Instruction Data Hazard/Pending] lw 后的分支指令若存在数据冒险，在 CPU 的时钟频率较高 (50MHz) 时可能执行错误，但频率较低 (1Hz) 时不会执行错误.
  • 可能原因: 分支预测 (Branch Predictor) 和指令缓存 (ICache) 耗时较长
  • 解决方案:
    1. ❎ 降低时钟频率，但是会导致 CPU 性能整体全面下降
    2. ❎ 在 lw 和紧接的分支指令之间插入 nop
    3. ✅ 调整预测表和缓存的大小，减少访问时间

总结

1. 说在最前面，也是最重要的：仿真对了上板也可能有各种奇奇怪怪的问题！！！ 可能硬件都是这样，写代码 5 分钟，上板调试 2 小时，所以尽可能安排好时间吧（比如本项目最后预取指并没有实现 懒得改了ww）
2. 如果上板发现寄了，可以考虑考虑以下问题
   • 顶层模块接线接错了
   • 模块中某个信号的 input，output 写反了，位宽写错了
   • 时钟频率过快（毕竟仿真会理想化的假设没有延迟）
   • 有隐性的 multi-driver 存在
   • 时序逻辑应该在时钟的上升沿还是下降沿更新没有想清楚
   • reset 信号是高电平还是低电平触发
3. 实现 CPU 的过程中有很多枚举性的工作，比如 ALU，控制模块等，一定要很仔细并且写完之后仔细检查，真出问题了不太好 debug 😕
4. 团队合作非常重要，一定要多和队友沟通，从一开始的设计和架构，到细节实现，到测试，再到上板，整个 Project 非常需要充分交流和沟通！
5. Vivado 这个工具说实话不太好用。。。建议参考参考下方开发工具中的 Verilator 仿真器和用于 CPU 差分测试的 Unicorn。直接写汇编也是个比较痛苦的过程 😩，也许可以借助一点工具从高级语言交叉编译成汇编，但是要注意和自己设计的 CPU 的 IO 对应
6. 尽可能在设计的时候考虑全面，尽管可能会花费更多的时间. MineCPU 在最初设计时采用的是在 ID 阶段进行分支预测，后面由于 ID 阶段的效率过低，改为在 IF 阶段预测，架构上进行了较大的修改，十分麻烦且易错

开发工具

• 汇编: riscv-gnu-toolchain 下载 3GB 的源代码再编译半小时，妈妈再也不用担心我不会写汇编啦
• 仿真: Verilator 将 SystemVerilog 编译成 C++ 并运行 所以不能模拟不定态我**, Vivado (能用但不推荐), Unicorn 用于与 CPU 对拍 (差分测试 DiffTest)
• 串口: UARTAssist 收发 UART 信号, inst2txt 将指令机器码文件转为 UARTAssist 传输的 16 进制文本