3 基于risc-v架构的开源soc
3.3.1 Rocket-Chip
UCB为了方便用户学习,同时也为了便于重复使用已设计好的硬件模块,在GitHub上建立了Rocket-Chip Generator的项目,其中包括了Chisel、GCC、Rocket处理器,以及围绕Rocket的一系列总线单元、外设、缓存等,并且采用了参数化的配置方法,从而可以方便的创建不同性能要求的基于Rocket处理器的SoC。采用Chisel编写,主要的子模块如下。
- Chisel:UCB设计的开源硬件编程语言。
- Hardfloat:参数可配置的、兼容IEEE 754-2008标准的浮点单元。
- Riscv-tools:开发工具,包括GCC、Newlib,以及移植的Linux。
- Rocket:Rocket处理器,包括L1 Cache。
- Uncore:实现了需要与Rocket紧密连接的功能单元,比如L2 Cache、L1 Coherence Hub等。
- Juntions:实现了不同协议的接口之间的转换。
- Rocketchip:顶层模块,同时也实现了内部总线TileLink向外部总线AXI或者AHB的转换。
前文介绍的BOOM、Z-scale都可以通过配置Rocket-Chip的不同参数得到。
3.3.2 LowRISC
LowRISC是由剑桥大学为主的一些研发人员成立的非营利性组织,主要是设计发布基于RISC-V指令集的64位开源SoC,其成员有树莓派的合作者,所以其目标是希望将设计的SoC做成类似于树莓派那样价格便宜、功能丰富、拥有大量用户的开源硬件。LowRISC发布的SoC的名称也是LowRISC,是在Rocket-Chip的基础上改进开发的,采用System Verilog编写改进部分的代码。主要特点是:
(1)Tagged Memory:给每一个存储位置都增加了一个Tag,目前是双字(64bit)对应一个Tag(4bit),目的是防止控制流劫持攻击,同时也有其他的一些用处,比如:垃圾回收、设置watchpoint等。为了实现Tagged Memory,LowRISC为RISC-V增加了两条指令用来读写Tag。2015年4月发布的0.1版本中具有该功能。
(2)Untethered:早期的Rocket-Chip需要依赖于一个通用处理器的协助才能够启动,才能够访问串口、网口、SD卡等外设,Untethered LowRISC通过实现(Memory mapping I/O)、片上NASTI interconnect等功能,解决了上述问题。2015年11月发布的0.2版本中具有该功能。
(3)Trace Debugging:引入了Open SoC Debug,支持Trace Debugging,可以收集指令执行记录,便于离线或者在线分析。2016年7月发布的0.3版本中具有该功能。
3.3.3 PULPino
PULPino是苏黎世联邦理工大学和波罗尼亚大学联合发布的基于RISC-V的开源处理器,其处理器核RI5CY在前文已述,苏黎世联邦理工大学和波罗尼亚大学本来设计的项目是PULP,这是一个多核SoC项目,考虑到这个项目太复杂,有许多IP、自定义工具集,不方便开源,所以开发者决定先开源一个单核SoC项目,即PULPino。PULPino直接使用了PULP项目的许多IP。
PULPino具有一个AXI互连总线,另外还有一个APB总线,用来连接低速外设,比如:GPIO、UART、I2C控制器、SPI Master控制器等。调试模块支持Advanced Debug Unit。PULPino包括一个Boot ROM,其中可以写入BootLoader,从而实现在启动的时候从外部Flash读入程序并执行。
3.3.4 RISC-V VHDL
RISC-V VHDL是俄罗斯的GNSS Sensor公司发布的基于Rocket的开源SoC,其前身是莫斯科物理技术学院的一个项目。该项目的处理器核直接就用的是Rocket,可以配置为只有L1Cache,也可以配置为包括L2Cache,在此基础上,提供了大量的IP核,采用类似LEON3的GRLIB库的方式,所有的IP核都是即插即用,RISC-V VHDL提供了一个AXI总线,IP核都挂载在该总线上。IP核包括:UART、GPIO、中断控制器、以太网控制器,此外还支持DSU(Debug Support Unit),均采用VHDL编写代码。
RISC-V VHDL中大多数IP核都是开源的,唯一商业的是GNSSLIB,这是一个与定位导航有关的库,也是RISC-V VHDL的特色。