自制RISC-V源碼與設(shè)計(jì)流程案例分析

Overlay 簡(jiǎn)介

RISC-V-On-PYNQ Overlay實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)流程，得益于PYNQ軟件框架，其支持在Jupyter Notebook對(duì)RISC-V進(jìn)行編譯、調(diào)試與驗(yàn)證，即可以在Jupyter Notebook上編寫(xiě)一段C/C++/RISC-V匯編程序，將編譯后的二進(jìn)制文件放到picoRV32上運(yùn)行。

以下兩張圖是本Overlay的系統(tǒng)框圖，其中picoRV32是一個(gè)開(kāi)源的RISC-V核，它具有占用資源少的特點(diǎn)，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(xiàng)目有兩個(gè)工程，它們的區(qū)別主要是picoRV32接的RAM：上圖只使用BRAM，而下圖同時(shí)使用到了BRAM和外部DRAM。

快速開(kāi)始

- 環(huán)境需求PYNQ V2.4。

- 在PS端，我們需要編譯安裝RISC-V工具鏈和對(duì)應(yīng)的庫(kù)。

Github內(nèi)的項(xiàng)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(gè)Notebook，包含了Overlay完整的部署流程。

鑒于從零開(kāi)始部署的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，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(yùn)行（注：提供的ext4分區(qū)剩余容量較小，請(qǐng)用戶根據(jù)需要自行調(diào)整）。

在OpenHW的遠(yuǎn)程PYNQ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上也已經(jīng)為大家安裝好了環(huán)境，可以直接使用。

示例Notebook

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

開(kāi)始時(shí)下載bit文件，在這個(gè)過(guò)程中所有驅(qū)動(dòng)都會(huì)注冊(cè)完成。

可以用help函數(shù)查看Overlay和processor的有關(guān)信息，可以看到，這里的Overlay和processor使用了本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)，這說(shuō)明驅(qū)動(dòng)注冊(cè)成功了。

在Notebook中包含了一段C程序，作用是返回一個(gè)數(shù)組的第二個(gè)元素?？梢钥吹轿覀兪褂昧?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/python/" target="_blank">python magics來(lái)聲明并編譯一段C程序，這和PYNQ本身對(duì)Microblaze核的編程方法類似。然后調(diào)用processor的run方法將程序裝載進(jìn)RAM中來(lái)運(yùn)行picoRV32。

我們也可以調(diào)用BRAM controller的mmio來(lái)看看內(nèi)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(guò)執(zhí)行Jupyter Notebook中的代碼來(lái)體驗(yàn)。

Overlay詳解

- PS與PL功能劃分

PS部分主要是用Python通過(guò)PYNQ框架控制PL中各IP的運(yùn)行。

PL部分則例化一個(gè)pcioRV32核和和BRAM。

- Vivado工程block design介紹

具體硬件設(shè)計(jì)是這樣的：

上圖是項(xiàng)目的總體布局，下圖是processor展開(kāi)后的內(nèi)容。

其中BRAM是一個(gè)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(fù)位端，當(dāng)二進(jìn)制程序裝入BRAM后，復(fù)位picoRV32，使它運(yùn)行程序。picoRV32運(yùn)行結(jié)束后，會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷。利用這個(gè)設(shè)計(jì)，可以例化許多RISC-V核心，并讓其運(yùn)行獨(dú)立的程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)靈活可配置的眾核處理器，事實(shí)上已經(jīng)有用這種方法實(shí)現(xiàn)了例化超過(guò)一千個(gè)RISC-V核的項(xiàng)目。

在Processor內(nèi)部，picoRV32通過(guò)AXI總線來(lái)訪問(wèn)其他IP，可以使用AXI總線來(lái)給它增加各種各樣不同的外設(shè)。在這里，本項(xiàng)目只是添加了另一個(gè)內(nèi)存（通過(guò)PS的HP AXI 0接口訪問(wèn)內(nèi)存控制器）。

另外，這里的picoRV32核心的運(yùn)行頻率可以通過(guò)利用AXI總線配置時(shí)鐘資源來(lái)調(diào)整。

注意：RISC-V核的hierarchy名字必須為processor，并且processor中的復(fù)位模塊必須為rscvReset。如果改動(dòng)這些名字，必須修改對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)源文件，否則不能正確加載驅(qū)動(dòng)。

Overlay API介紹

在此工程中，通過(guò)riscvc、riscvcpp和riscvasm這三個(gè)python magics來(lái)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(xiě)入的RISCV核hierarchy的名字。然后在本cell中編寫(xiě)代碼，運(yùn)行后將調(diào)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(yùn)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(shù)數(shù)組，它兼容numpy的類型。

對(duì)于更詳細(xì)的解釋，可以參看前面的tutorial中5個(gè)notebook和項(xiàng)目中的.py源文件。

編輯：hfy