自制RISC-V源碼與設計流程案例分析

Overlay 簡介

RISC-V-On-PYNQ Overlay實現了在PYNQ-Z2板上的RISC-V處理器及工具鏈集成，并提供了完整的RISC-V源碼與設計流程，得益于PYNQ軟件框架，其支持在Jupyter Notebook對RISC-V進行編譯、調試與驗證，即可以在Jupyter Notebook上編寫一段C/C++/RISC-V匯編程序，將編譯后的二進制文件放到picoRV32上運行。

以下兩張圖是本Overlay的系統框圖，其中picoRV32是一個開源的RISC-V核，它具有占用資源少的特點，并且它自帶AXI接口，可以方便地使用Xilinx提供的各種基于AXI總線的IP。本項目有兩個工程，它們的區別主要是picoRV32接的RAM：上圖只使用BRAM，而下圖同時使用到了BRAM和外部DRAM。

快速開始

- 環境需求PYNQ V2.4。

- 在PS端，我們需要編譯安裝RISC-V工具鏈和對應的庫。

Github內的項目文件Clone到本地。

git clone

https://github.com/Siudya/RISC-V-On-PYNQ.git /home/xilinx/ RISC-V-On-PYNQ

在RISC-V-On-PYNQ/notebooks/tutorial中有5個Notebook，包含了Overlay完整的部署流程。

鑒于從零開始部署的時間會較長，所以我們也提供了完整的鏡像文件，直接燒錄到SD卡就可以運行（注：提供的ext4分區剩余容量較小，請用戶根據需要自行調整）。

在OpenHW的遠程PYNQ實驗平臺上也已經為大家安裝好了環境，可以直接使用。

示例Notebook

裝好Overlay后，打開RISC-V-Examples/PicoRV32 Processor Mixed-Memory Processor Demo.ipynb，這是使用DRAM和BRAM混合儲存器的示例工程。實際上代碼與使用只BRAM的工程類似，只不過使用了不同的bit文件。

開始時下載bit文件，在這個過程中所有驅動都會注冊完成。

可以用help函數查看Overlay和processor的有關信息，可以看到，這里的Overlay和processor使用了本項目設計的驅動，這說明驅動注冊成功了。

在Notebook中包含了一段C程序，作用是返回一個數組的第二個元素?？梢钥吹轿覀兪褂昧?a href="http://www.qd573.com/tags/python/" target="_blank">python magics來聲明并編譯一段C程序，這和PYNQ本身對Microblaze核的編程方法類似。然后調用processor的run方法將程序裝載進RAM中來運行picoRV32。

我們也可以調用BRAM controller的mmio來看看內存的情況。在這之后也有使用C++和匯編程序的例子，這里不作贅述，讀者通過執行Jupyter Notebook中的代碼來體驗。

Overlay詳解

- PS與PL功能劃分

PS部分主要是用Python通過PYNQ框架控制PL中各IP的運行。

PL部分則例化一個pcioRV32核和和BRAM。

- Vivado工程block design介紹

具體硬件設計是這樣的：

上圖是項目的總體布局，下圖是processor展開后的內容。

其中BRAM是一個雙口RAM，它兩端連接的是PS和picoRV32。另外，可以看到PS的GPIO連接的是processor的復位端，當二進制程序裝入BRAM后，復位picoRV32，使它運行程序。picoRV32運行結束后，會觸發一個中斷。利用這個設計，可以例化許多RISC-V核心，并讓其運行獨立的程序，實現一個靈活可配置的眾核處理器，事實上已經有用這種方法實現了例化超過一千個RISC-V核的項目。

在Processor內部，picoRV32通過AXI總線來訪問其他IP，可以使用AXI總線來給它增加各種各樣不同的外設。在這里，本項目只是添加了另一個內存（通過PS的HP AXI 0接口訪問內存控制器）。

另外，這里的picoRV32核心的運行頻率可以通過利用AXI總線配置時鐘資源來調整。

注意：RISC-V核的hierarchy名字必須為processor，并且processor中的復位模塊必須為rscvReset。如果改動這些名字，必須修改對應的驅動源文件，否則不能正確加載驅動。

Overlay API介紹

在此工程中，通過riscvc、riscvcpp和riscvasm這三個python magics來編譯一段程序。例如：%%riscvcpp test_cpp overlay.processor。其中test_cpp是程序的名字，overlay.processor是想要寫入的RISCV核hierarchy的名字。然后在本cell中編寫代碼，運行后將調用前面安裝的RISC-V的工具鏈編譯。

編譯成功后，利用processor的run方法運行程序。例如：overlay.processor.run(test_cpp, test_cpp_arg)。其中test_cpp是程序名字，test_cpp_arg是參數數組，它兼容numpy的類型。

對于更詳細的解釋，可以參看前面的tutorial中5個notebook和項目中的.py源文件。

編輯：hfy