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https://github.com/cnrv/riscv-soc-book

关于RISC-V你所需要知道的一切
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关于RISC-V你所需要知道的一切

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README 

        
# 关于RISC-V你所需要知道的一切



当人们在谈论RISC-V的时候，实际在谈些什么？本书尝试告诉您答案。



本书计划采用众包的方式完成，欢迎RISC-V的爱好者贡献自己的力量，以推动RISC-V在中国的普及，同时共同学习进步。



> [![by-nc-sa-3.0-cn](https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/cn/88x31.png)](https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/cn/)


> 本作品采用[知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 3.0 中国大陆许可协议](https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/cn/)进行许可。



**待讨论大纲（以下是囿于我的见识列出的大纲草稿，有很多不完善地方，大家多讨论）：**



## 第一章 RISC-V产生的时代背景



### 1 计算机体系结构和处理器微结构



- ISA的产生



- 区分计算机体系结构和微结构

  - 体系结构(computer architecture)定义的是硬件和软件的接口，并没有指定实现。RISC-V即定义的体系结构。

  - 微结构(processor microarchitecture)则描述的是如何设计一个处理器来符合一个体系结构。体系结构并不定义微结构。



- 指令级架构(instruction set architecture, ISA)

  - ISA定义的内容：指令编码，内存模型，IO模型，逻辑寄存器数量和功能，控制寄存器，特权级别。

  - 一条指令都包含什么： 指令功能，操作对象(立即数，普通寄存器，特殊寄存器，内存), 环境变量(标志位，特权级别)，指令编码。

  - 指令的功能分类：逻辑指令，数学指令，控制指令，内存指令，IO指令，特殊指令。

  - CISC和RISC

- 处理器微结构

  - 流水线

  - 多发乱序流水线

  - 多线程流水线

  - 多核

  - 特殊流水线：VLWI, vector, GPU

- 体系结构与微结构的互相影响

  - 比较CISC和RISC的特性。

  RISC的每条指令功能复杂度基本一致，执行时间基本一致，编码长度基本一致，流水线控制简单，指令调度简单，代码密度相对CISC较小。

  CISC的指令功能复杂度不一，执行时间长短不一，编码长度也不一样。直接运行导致流水线控制复杂调度困难，一般动态拆做类似RISC的微指令执行。代码密度相对RISC较高。

  - 操作数：单指令寄存器个数。从栈寻址到多寄存器寻址在代码密度，流水线调度，执行时间上的考虑。

  - 操作数：内存寻址方式。RISC的内存寻址方式单一，调度简单，可做单独流水线，但指令密度高。CISC调度方式复杂，流水线设计复杂，指令密度高。

  - 环境变量： 条件执行对流水线的影响。（第二章具体讲）

  - 指令编码：RISC编码和SISC编码，解码难度，取址难度，分支预测难度等等。（第二章具体讲RISC-V的编码设计）

  - 编译器：

    编译器是指令集和高级语言的接口。

    语言的抽象等级越高，ISA的使用就更加受限：ABI，systemcall，context switching。

    通用逻辑寄存器的功能异化，数量对编译器的影响。

  - 操作系统：硬件资源的管理者，特权软件。

    操作系统需要ISA的支持：控制寄存器，特权指令，内存模型，IO模型等等，hyervisor模式。

    （更具体的，比如对VM，安全，上下文切换效率，中断和异常的定义等等，都留到第二章）



### 2 现有指令集 (leishangwen)



- CISC指令集的代表：x86和x86-64。

- RISC指令集的代表：ARM(ARMv7,AArch32,AArch64,thumb, thumb2)

- 其他的指令集：MIPS, PowerPC, SPARC



### 3 硬件开发的变迁 (wsong83)



介绍从最开始的晶体管，到CMOS，到基于标准单元的版定制流程，自动综合和布局布线，物理综合，仿真，前仿和后仿，LVS和formal verification，最终到SystemVerilog的verification特性和HLS的出现。这张的目的是给不理解硬件设计的读者入个门。后面讲到Rocket的某些硬件优化的时候会有好处。



### 4 开源运动



这有三个方面：开源软件，发生的原因和意义，其优势和现在的广泛使用（Linux，GNU GCC等等）

现存的问题：License的斗争，开发缓慢的问题，分支严重的问题，patent的问题，难以商业化不挣钱的问题。



开源硬件，早已出现，OpenRISC和OpenCore社区，但是为何不太成功：开发人员少群众基础不够，项目多数未完成，完成的也缺少验证，难以流片验证，缺少开源工具链，模拟设计难以开源，开源设计难以流片的各种实际因素。当然也说现在已有的成果，开源模拟器，简单的开源逻辑综合器，开源的硬件设计等等。



指令及开源：指令集本身对性能影响其实不大，但是一个指令集所附带的生态环境非常重要。选用一个指令集其实是选择了一个生态环境，为这个生态环境付费。开源指令集的主要目的其实是提供一个开源的生态环境，包括ISA, 编译器，操作系统，软件库等等。



## 第二章 RISC-V



这一章就讲RISC-V指令集



### 1 RISC-V的历史



介绍UCB, MIPS, RISC-V的出现，开源，基金会的建立，它的目的和意义。



> wsong83:

> - 关于UCB的历史，可以看看[RISC-V Geneology](https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2016/EECS-2016-6.pdf)



### 2 RISC-V的基本设计原理



介绍RV64I和RV32I的基本情况，重点介绍设计原理，可扩展的方式，面向硬件设计的编码方式，面向简单流水线设计的指令选择（不用条件执行，不用多周期指令）。



> 思考，拿RV64I和AArch64的编码来比一比，应该能体现RV64I的编码优势。



### 3 RISC-V特权指令设计



为何选择使用CSR，CSR的设计细节，不同特权级的定义，特权级之间的跳转，delegation的使用，异常处理模型。（这里可以说的惊人细节太多了）



### 4 内存模型



介绍什么是内存模型，virtual memory的设计，和RISC-V的内存模型（这一部分快定义好了）



### 5 RISC-V的压缩指令



为什要有压缩指令及，怎么设计的，性能数据。结合压缩指令及讨论instruction fusion。简单说说压缩指令对硬件的影响，比如指令地址unalign，fetch级的动态取指速度，节省I$等等。



### 6 RISC-V的扩展指令集



AMO和LR/SC的设计意图（原子操作和关键区支持）。M/D/F/E等等已经可以用的扩展，和计划中的扩展。



### 7 Spike模拟器



Spike是RISC-V的instruction set simulator (ISS)，也是独立于实现的标准参照。

应该讲一讲Spike的使用和其背后的原理。



### 8 RISC-V的软件生态



介绍围绕RISC-V开发的编译器、移植的操作系统等软件的情况。



### 9 RISC-V在产业界与学术界的现状（leishangwen）



概述基于RISC-V指令集的处理器、SoC，并进行简单地汇总统计。



## 第三章 Rocket-Chip概述



简单介绍Rocket-chip最初设计的由来，几次流片经历，作为RV64G的主要硬件实现，最终作为freechipsproject脱离UCB。

此处简单提及Rocket和Boom是Rocket-chip支持的两种处理器实现，Freedom和lowRISC是基于Rocket-chip的两个SoC扩展。



> 讲流片经历的时候，讲事件，不具体讲性能结果。留到第四章。



### 1 Chisel和FIRRTL



简单说明Chisel和FIRRTL的功能。简单介绍Chisel相对SystemVerilog等HDL的优势，同时区分Chisel和HLS。

举简单例子来说明：



- Scala/Chisel的基本语法(例子中会涉及的部分)。

- Chisel可以被用来实现简单电路。

- Chisel在泛型上的优势。

- Chisel在面向对象上的优势。

- Chisel用LazyModule来实现编译时代码生成机制。



### 2 Rocket-Chip的基本结构



画几个结构图来形式化的表示Rocket-chip的内部链接。同时叙述Rocket-chip的可配置功能。

同时在这里介绍devicetree的自动生成。



### 3. TileLink片上总线



TileLink总线的channel名称和功能，支持的报文类型和传输协议等等。



### 4. 缓存一致性与片上互联总线



介绍Rocket-Chip采用的缓存一致性策略、片上互联总线的结构图、多核结构等。



### 5. Rocket-chip的仿真和测试



这里主要是讲仿真的基本方法和Rocket-chip/Chisel提供的几种测试方法：require check, assertion, bus-monitor, unitest, groundtest, isa regression.

这一章并不具体讲测试和仿真的基本步骤。



## 第四章 Rocket处理器



### 1. Rocket处理器介绍



整体性的介绍，结构框图，可配置模块（scratch-pad, blocking L1, non-blocking L1, RoCC, FPU）。

已流片的结果比较。



### 2. Rocket的基本流水线



5级ALU流水线结构，多周期整数乘法器，I$和D$的连接，CSR的连接，forwarding network。



### 3. 指令缓存以及分支预测



指令缓存的结构，BHT, BTB, RAS的结构和运行时学习，branch/jump指令的执行，以及由于分支预测错误造成的流水线重置。



### 4. 数据缓存



介绍非阻塞数据缓存的结构，cache hit的基本流水线，miss时的data fetch，tlb miss造成缺页，地址空间检查(强制PMA)，parity检查与数据修复，支持coherence。



在非阻塞数据缓存的基础上，通过裁剪获得阻塞缓存和scratch pad。



> 还不确定用cache来做scratch pad（pin cache line）的实现在L1还是L2。如果在L1可以尝试说一说。不过这个点的水比较深。



### 5. 虚拟内存支持



介绍RISC-V支持的分页式内存、页表结构、TLB设计、硬件页表查询PTW



### 6. Rocket处理器RoCC设计分析（leishangwen）



分析RoCC接口，并可以通过仿真实验说明RoCC如何使用



## 第五章 BOOM处理器



### 1. BOOM处理器介绍



包括特点（比如：乱序、超标量）、性能参数、结构框图、接口图等，src/main/scala目录下的文件的基本作用。



### 2. 推测发射机制



以图示的方式分析



### 3. 寄存器重命名



以图示的方式分析



### 4. 数据存储



以图示的方式分析



### 5. 指令提交



以图示的方式分析



## 第六章 SiFive公司的Freedom系列



### 1. Freedom系列简介（leishangwen）



介绍SiFive公司及其Freedom系列的基本情况



### 2. Freedom E310介绍



介绍Freedom E310的性能参数、结构框图、接口图、各个模块的作用、地址空间分配、启动顺序等



### 3. 仿真实验



仿真步骤，实验环境搭建，实验步骤（包括下载到开发板的步骤），测试例程分析（以SiFive提供的Eclipse开发环境中的自带测试例程进行分析，主要是分析启动过程的代码，这样也更好地帮助读者熟悉RISC-V的指令的用法）



### 4. 调试过程及原理分析（leishangwen）



首先是介绍如果调试，给出步骤，做实验，给出实验截图。然后，分析调试的原理，包括debug rom的内容、openocd的设置及基本工作原理、JTAG总线的知识、Freedom E310对于调试指令的处理，并进一步分析step、break、continue等调试指令的实现原理。



### 5. 移植运行FreeRTOS



介绍如何使FreeRTOS在Freedom E310上的运行



## 第七章 LowRISC (wsong83)



我先大概列一下目录，宋同学修改啊



### 1. LowRISC介绍



包括LowRISC的产生原因、发展历史、相比Rocket的主要改进点、结构图。



### 2. tagged memory



包括主要思路、实现效果、最好能结合试验演示效果等



### 3. trace debugger



包括主要思路、实现效果、使用测试等



## 第八章 PULPino



### 1. PULPino介绍



包括PULP与PULPino的关系、PULPino的结构组成、RI5CY、流片的性能

PULP低功耗的原因，功耗对比（在论文中有对比），以及可以工作在多种电压情况下



### 2. 向量算术指令



介绍什么是向量运算、RI5CY的向量运算指令、优势特点、实现等



### 3. 硬件循环



介绍硬件循环的原理、优势、实现等



### 4. post increment load/store指令



不知道准确的翻译是什么



### 5. 扩展算术指令



### 6. 基于Arty平台的移植试验（leishangwen）



官网上只是在zedboard上做了测试，而且是需要ARM配合，这里计划使用Arty平台测试，与Freedom E310的测试平台是同一个，移植后，可以独立运行，不需要ARM配合。同时，在移植过程中，就顺便讲解关键脚本、boot code、测试程序等。此外，还介绍调试过程，这个也是官网没有的。



## 第九章 浮点运算



### 1. 浮点标准



介绍浮点运算的基本情况，便于理解后文



### 2. RISC-V的浮点指令扩展



### 3. Rocket-Chip中的FPU



#### 3.1 基本情况



介绍FPU在Rocket-Chip的可以实现的功能、对外接口、在流水线的位置、对流水线的影响、浮点指令的执行过程等。



#### 3.2 浮点加法模块设计



#### 3.3 浮点乘法模块设计



#### 3.4 浮点除法、平方根模块设计



### 4. FPU验证



#### 4.1 基于组合随机激励测试的验证



#### 4.2 基于形式化工具的验证



> leishangwen:

> 这个先放在这里吧，理由有两个：1、还不确定如果单独作为一章，那么讲的内容有哪些，能否独立成完整的一章；2、单独作为一章放在Rocket、BOOM两章的后面，有点破坏整本书的目录结构，有点突兀，如果确实要单独成章，建议放在全书的最后。