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一个用 SystemVerilog 编写的，基于 RISC-V 的 SoC

USTCRVSoC

一个用SystemVerilog编写的，基于RISC-V的，普林斯顿结构的SoC

特点

• 5段流水线RISC-V，能运行RV32I指令集
• 简单直观的32bit握手总线 (naive_bus.sv)，
• 总线仲裁器(naive_bus_router.sv)可修改，以方便拓展外设、多核、DMA等
• 具有交互式UART调试器(isp_uart.sv)，用户可以使用PC上的串口助手、minicom等软件，实现系统复位、上传程序、查看内存等功能
• 全部使用 SystemVerilog 实现，不调用IP核，方便在 Altera、Xilinx、Lattice 等不同FPGA平台上移植，也方便在各种工具中进行仿真
• RAM 和 ROM 符合一定的Verilog写法，自动综合成 Block RAM

SoC 结构

上图展示了SoC的结构，总线仲裁器bus_router为SoC的中心，上面挂载了2个“主设备”和5个“从设备”。实际上，CPU具有两个“主接口”，因此bus_router共有3个“主接口”和5个“从接口”。

这个SoC使用的总线并不来自于任何标准（例如AXI或APB总线），而是笔者自编的，因为简单所以命名为“naive_bus”。

每个“从接口”都占有一段地址空间。当“主接口”访问总线时，bus_router判断该地址属于哪个地址空间，然后将它“路由”到相应的“从接口”。下表展示了5个“从接口”的地址空间。

外设类型	起始地址	结束地址
指令ROM	0x00000000	0x00007fff
指令RAM	0x00008000	0x00008fff
数据RAM	0x00010000	0x00010fff
显存RAM	0x00020000	0x00020fff
用户UART	0x00030000	0x00030003

主要部件

• 多主多从总线仲裁器(naive_bus_router.sv)：为每个从设备划分地址空间，将主设备的总线读写请求路由到从设备。当多个主设备同时访问一个从设备时，还能进行访问冲突控制。
• RV32I Core(core_top.sv)：包括两个主接口。一个用于取指令，一个用于读写数据
• UART调试器(isp_uart.sv)：包括一个主接口和一个从接口。它接收用户从UART发来的命令，对总线进行读写。它可以用于在线烧写、在线调试。也可以接收CPU的命令去发送数据。
• 指令ROM(instr_rom.sv)：CPU默认从这里开始取指令，多用于仿真
• 指令RAM(ram_bus_wrapper.sv)：用户在线烧写程序到这里。
• 数据RAM(ram_bus_wrapper.sv)：存放运行时的数据。
• 显存RAM(vedio_ram.sv)：在屏幕上显示98列*36行=3528个字符，显存RAM的前3528B对应的ASCII码值就决定了每个字符是什么

RV32I CPU 结构

TODO

在开发板上运行SoC

我们提供了两种方式运行代码：

1、使用指令ROM：修改instr_rom.sv中的代码，然后重新编译综合，重新烧写FPGA逻辑。虽然麻烦，但这便于进行RTL仿真，你可以将想要运行的程序放入指令ROM，然后仅需在testbench中给予SoC一个时钟，就可以观察整个SoC在运行这段代码时的波形。

2、使用指令RAM：使用UART调试器在线上传程序到指令RAM。

部署电路到FPGA

目前，我们提供了Xilinx的Nexys4板子和Altera的DE0-Nano板子的工程。

1、Nexys4硬件连接：Nexys4开发板上有一个USB口既可以用于FPGA烧录，也可以用于UART通信，我们需要连接该USB口到电脑。另外，VGA的连接是可选的，你可以把它连接到屏幕上。

2、DE0-Nano硬件连接：DE0-Nano开发板上既没有串口转USB，也没有VGA接口。因此都需要以来外部模块。我们使用DE0-Nano上的两排GPIO作为外接模块的引脚，接口意义如上图。你至少需要一个USB转UART的模块，将ISP-UART的TX和RX引脚连接上去，使之能与电脑通信，如下图：

3、综合、烧写FPGA：如果你用的是Nexys4板子，请用Vivado打开./hardware/Vivado/nexys4/USTCRVSoC-nexys4/USTCRVSoC-nexys4.xpr。如果你用的是DE0-Nano板子，请用Quartus打开./hardware/Quartus/DE0_Nano/DE0_Nano.qpf。综合并烧写到开发板。

4、HelloWorld：烧录FPGA后，在电脑上的串口终端软件（超级终端、串口助手、minicom）中，使用格式(115200,n,8,1)打开串口，如果看到不断收到"hello\n"，那么恭喜你SoC部署成功，因为SoC的instr_rom里的程序就是循环打印hello的程序。

5、尝试读取总线：下面让我们尝试UART的调试功能，首先发送"s\n"进入调试模式，可以看到对方发来"debug\n"，说明进入调试模式成功。然后，发送"00000000\n"，会看到对方发来一个8位16进制数。该数代表SoC数据总线的地址0x00000000处的读取数据。

6、上一步我们尝试了UART调试器的读总线命令，下表显示了它的所有3种命令。

• 注意：无论是发送还是接受，所有命令都以\n或\r或\r\n结尾

根据这些命令，不难猜出，在线上传程序的流程是：

1、使用写命令，将指令流写入指令RAM，（指令RAM的地址是00008000~00008fff）

2、使用复位命令r00008000，将CPU复位并从指令RAM中BOOT

使用工具：USTCRVSoC-tool （该软件有所改动，文档稍后补充）

./USTCRVSoC-tool/USTCRVSoC-tool.exe 是一个能汇编和烧写的小工具，相当于一个汇编语言的IDE。

我们提供了几个汇编小程序如下表。

文件名	说明
uart_print.S	用户UART循环打印hello!
vga_hello.S	屏幕上显示hello！
fibonacci_recursive.S	递归法计算斐波那契数列第7个数并，用用户UART打印结果
load_store.S	完成一些内存读写，没有具体表现，为了观察现象，可以使用UART调试器查看内存

现在我们尝试让SoC运行一个计算斐波那契数列并UART打印的程序。点击“打开...”按钮，浏览到目录./software/asm-code，打开汇编文件 fibonacci_recursive.S。点击右侧的“汇编”按钮，可以看到右方框里出现了一串16进制数，这就是汇编得到的机器码。然后，选择正确的COM口，点击“烧写”，如果下方状态栏里显示“烧写成功”，则CPU就已经开始运行该机器码了。这时，在右侧的“串口查看”框里选中“16进制显示”，可以看到不断显示出22，这说明CPU正确的计算出斐波那契数列的第七个数是0x22，即十进制的34。

RTL仿真

生成Verilog ROM

USTCRVSoC-tool.exe 除了进行烧写，也可以生成指令ROM的Verilog代码。当你使用“汇编”按钮产生指令流后，可以点击右侧的“保存指令流(Verilog)”按钮，用生成的ROM代码替换 ./RTL/instr_rom.sv

进行仿真

生成ROM后请直接使用soc_top_tb.sv文件进行仿真，这个仿真是针对整个SoC的，因此你可以修改ROM程序后进行仿真，观察SoC运行该程序的行为。