小麻雀处理器

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简介

小麻雀处理器(SparrowRV)是一款RISC-V架构的32位单周期两级流水线处理器。它的控制逻辑简单，没有复杂的流水线控制结构，代码注释完备，配有易上手的仿真环境和软件开发环境，适合用于学习。
此项目处于开发阶段，master分支更新频繁，稳定版请参阅release发行版
设计指标：

• 顺序两级流水线结构(IF -> ID+EX+MEM+WB)
• 兼容RV32I基础指令集和M、Zicsr、Zifencei扩展
• 支持固定入口中断，仅支持机器模式
• 哈佛结构，指令存储器映射至存储器空间
• 支持C语言，有配套BSP
• 支持AXI4-Lite总线
• 支持JTAG调试(有BUG)
• 支持片外Flash(25系列)启动(待开发)

2级流水线

系统功能框图

内核原理图

软件开发请参阅板级支持包BSP
仿真环境搭建请参阅仿真流程

设计进度

SoC RTL
 ├─内核
 │   ├─译码执行 (完成)
 │   ├─iram (完成)
 │   ├─CSR  (Debug 99%)
 │   ├─寄存器组 (完成)
 │   ├─总线接口 (Debug 98%)
 │   ├─中断控制 (Debug 95%)
 │   └─多周期指令控制 (OK)
 ├─外设 (30%)
 └─调试 (未测试)

软件部分
 ├─指令仿真 (完成)
 └─BSP (随设计扩展驱动程序)

当前任务

• ISP系统，UART下载

未来任务

• 向量化的中断系统
• 完善的文档

开发工具

• 处理器RTL设计采用Verilog-2001可综合子集。此版本代码密度更高，可读性更强，并且受到综合器的广泛支持。
• 处理器RTL验证采用System Verilog-2005。此版本充分满足仿真需求，并且受到仿真器的广泛支持。
• 数字逻辑仿真采用iverilog/Modelsim。可根据使用平台与具体需求选择合适工具。
• 脚本采用 Batchfile批处理(Win)/Makefile(Linux) + Python3。发挥各种脚本语言的优势，最大程度地简化操作。
• 板级支持包采用Makefile/MRS + gcc交叉编译可根据喜好选择命令行/图形化开发环境。
• 所有文本采用UTF-8编码，具备良好的多语言和跨平台支持。

仿真

本工程使用批处理/Makefile + Python3 + Modelsim/iverilog可根据个人喜好与平台使用合适的工具完成仿真全流程。如果已配置相关工具，可跳过环境搭建步骤。
若需要编写c语言程序并仿真，请参阅板级支持包BSP
仿真环境框架

Linux环境搭建与仿真

必须使用带有图形化界面的Linux的系统，否则无法正常仿真。
Linux下仅支持iverilog
Debian系(Ubuntu、Debian、Deepin)执行以下命令：

sudo apt install make git python3 python3-tk gtkwave gcc g++ bison flex gperf autoconf
git clone -b v12-branch --depth=1 https://gitee.com/xiaowuzxc/iverilog/
cd iverilog
sh autoconf.sh
./configure
make
sudo make install
cd ..
rm -rf iverilog/

其他Linux发行版暂不提供支持，请自行探索。

• /tb/makefile是Linux环境下的实现各项仿真功能的启动器

进入/tb/目录，终端输入make即可启动人机交互界面。根据提示，输入make+空格+单个数字或符号，按下回车即可执行对应项目。

Makefile支持以下命令：

• [0]导入inst.txt，RTL仿真并显示波形
• [1]收集指令测试集程序，测试所有指令
• [2]转换bin文件为inst.txt，可被testbench读取
• [3]转换bin文件并进行RTL仿真、显示波形，主要用于仿真c语言程序
• [4]显示上一次的仿真波形
• [c]清理缓存文件

Windows环境搭建

• 进入Python官网，下载并安装Python 3.x版本(建议使用稳定版)
• (可跳过)如果想在Win系统使用make，请参阅Makefile开发第2步。

iverilog仿真

进入iverilog Win发行版，下载并安装iverilog-v12-20220611-x64_setup[18.2MB]
Windows下iverilog安装流程及仿真可参考视频教程
可选择以下任意一种方式进行仿真

• /tb/run_zh.bat是Windows环境下的启动器，进入/tb/目录，仅需双击run_zh.bat即可启动人机交互界面。根据提示，输入单个数字或符号，按下回车即可执行对应项目。
• /tb/makefile是Windows/Linux环境下的启动器，进入/tb/目录，终端输入make即可启动人机交互界面。根据提示，输入make+空格+单个数字或符号，按下回车即可执行对应项目。

处理器运行C语言程序，见板级支持包BSP。需要将生成的obj.bin转换为inst.txt文件，才能导入程序并执行仿真。命令2仅转换，命令3可以转换并仿真。

/tb/tools/isa_test.py是仿真脚本的核心，负责控制仿真流程，转换文件类型，数据收集。使用者通过启动器与此脚本交互，一般情况下不建议修改。
iverilog是仿真工具，gtkwave用于查看波形。

Modelsim仿真

仅限Windows系统
本工程提供了Modelsim仿真脚本，启动方式与iverilog类似，软件安装问题请各显神通

• /tb/run_zh.bat是Windows环境下的启动器，进入/tb/目录，仅需双击run_zh.bat即可启动人机交互界面。根据提示，输入单个数字或符号，按下回车即可执行对应项目。
• 处理器运行C语言程序，见板级支持包BSP。需要将生成的obj.bin转换为inst.txt文件(命令2转换，命令3可以直接转换并仿真)，才能导入程序并执行仿真。
• /tb/tools/vsim_xxx.tcl主导Modelsim的启动、配置、编译、仿真流程，由批处理脚本启动，Modelsim启动后读入。

问题说明

• inst.txt是被testbench读入指令存储器的文件，必须存在此文件处理器才可运行
• 程序编译生成的bin文件不能直接被读取，需要先转换为inst.txt
• iverilog版本建议大于v11，低于此版本可能会无法运行
• Makefile环境下可能会出现gtkwave开着的情况下不显示打印信息
• Windows下make建议使用Powershell，经测试Bash存在未知bug(实验性修复)
• (已修复)run_zh.bat是中文的启动器，但是由于git CRLF相关问题无法使用
• 若出现WARNING: tb_core.sv:23: $readmemh(inst.txt):...或ERROR: tb_core.sv:24: $readmemh:警告或错误信息，请忽略，它不会有任何影响
• 本项目基于Modelsim SE 2019.2进行环境搭建，此版本保证脚本的有效性；10.6d版本存在问题

板级支持包BSP

位于/bsp/文件夹下
BSP支持3种开发方式

1. Linux+Makefile
2. Windows+Makefile
3. MRS图形化界面开发

1 2的操作流程大致相同，Win/Linux双平台支持，适合老司机，环境配置与使用说明见Makefile开发。
3有图形化界面，仅限Win系统，适合习惯用keil的开发者，环境配置与使用说明见图形化界面开发。

Makefile开发

支持Linux和Windows
通过makefile脚本，仅需终端输入make，即可执行自动化编译。虽然写脚本有点麻烦，但是后期用得爽。
使用流程：

1. 下载并解压GCC工具链至/tools/目录，GCC请根据操作系统(Win/Linux)进行选择：
   百度网盘：https://pan.baidu.com/s/1thofSUOS5Mg0Fu-38qPeag?pwd=dj8b
   Github：https://github.com/xiaowuzxc/SparrowRV/releases/tag/v0.8
   请确保解压后文件目录为以下形式，否则无法正常make

SparrowRV
  ├─bsp
  ├─doc
  ├─pic
  ├─rtl
  ├─tb
  └─tools
      └─RISC-V_Embedded_GCC
         ├─bin
         ├─distro-info
         ├─doc
         ├─include
         ├─lib
         ├─libexec
         ├─riscv-none-embed
         └─share

2. (Linux或已安装make的windows用户可跳过)下载上方GCC工具链中的make.exe，将make.exe所在的路径添加至环境变量Path，添加环境变量的步骤自行百度。
3. 进入/bsp/app/，终端输入make，执行编译，此目录下会输出文件
4. 进入/bsp/app/，终端输入make clean，清理编译文件

图形化界面开发

仅支持Windows
本工程使用MRS(MounRiver Studio)作为图形化开发环境。MRS基于Eclipse GNU版本，支持中文界面，配置了完善的GCC工具链，可以做到开箱即用。
官网链接http://www.mounriver.com/
使用流程：

1. 下载并安装MRS
2. 切换中文界面。打开MRS主界面，Help->Language->Simplified Chinese
3. 打开工程。文件->加载->选定'工程'->浏览..->选择bsp目录下的SparrowRV.wvproj
4. 点击构建项目，编译并生成bin文件

致谢

本项目借鉴了tinyriscv的RTL设计和Python脚本。tinyriscv使用Apache-2.0协议。
本项目借鉴了SM3_core的设计内容。SM3_core使用MIT协议。
本项目使用了printf的轻量化printf实现。printf使用MIT协议。
感谢先驱者为我们提供的灵感
感谢众多开源软件提供的好用的工具
感谢MRS开发工具提供的便利
感谢导师对我学习方向的支持和理解
大家的支持是我前进的动力！