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RISC-V指令集

RISC-V指令集简介

RISC-V是一个基于精简指令集的开源指令集架构（ISA），与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费，因此非常适用于我们的教学活动。

优势

相比于MIPS，对于硬件综合设计课程具有以下优势：

  1. 没有延迟槽，包括跳转、异常在内的刷新逻辑统一化，对于复杂架构的设计极其友好。
  2. 具有可裁剪性，实现一个基本RV32I仅40条指令，甚至不需要实现乘除法（由编译器使用其他指令模拟），就可以运行C语言程序，对于64位则需要55条。
  3. Linux具有NOMMU的支持，不需要实现MMU（TLB+PTW）即可运行Linux（至少实现 RV-IMA + CSR + fence_i）。

劣势

相比MIPS，对于硬件综合设计课程具有以下劣势：

  1. 如果实现MMU，除实现TLB外还需要实现硬件页表遍历，且需要实现一系列非常复杂的Supervisor特权级的CSR，较为复杂。

    但考虑到不实现MMU也能运行Linux，最终达成运行Linux目标比MIPS简单。

配置环境

  1. 准备环境

    根据你的发行版进行不同的操作：

    • Ubuntu 

      sudo apt-get install autoconf automake autotools-dev curl python3 libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev ninja-build

    • Fedora 

      sudo yum install autoconf automake python3 libmpc-devel mpfr-devel gmp-devel gawk  bison flex texinfo patchutils gcc gcc-c++ zlib-devel expat-devel

    • Arch Linux 

      sudo pacman -Syyu autoconf automake curl python3 libmpc mpfr gmp gawk base-devel bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib expat

    • macOS + Homebrew

      brew install python3 gawk gnu-sed gmp mpfr libmpc isl zlib expat
brew tap discoteq/discoteq
brew install flock

  2. 下载riscv-gnu-toolchains

    git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain

  3. 编译工具链

    • 如果你不想实现乘除法指令（这样编译出来的编译器会将乘除法使用软件实现）：

      cd riscv-gnu-toolchain
./configure --prefix=/opt/riscv --with-arch=rv64ia --with-abi=lp64
make linux -j `nproc`

    • 如果你想实现乘除法指令：

      cd riscv-gnu-toolchain
./configure --prefix=/opt/riscv --with-arch=rv64ima --with-abi=lp64
make linux -j `nproc`

Info

Tips: 你也可以修改--prefix参数安装两份编译器，一份软乘除法，一份硬乘除法。

Info

里面涉及到的/opt/riscv文件夹应提前建立，可以这么做： 

sudo mkdir -p /opt/riscv
sudo chown $USER /opt/riscv

工具链编译产物

考虑到部分同学可能由于网络环境的原因无法正常通过git clone工具链，或者能够clone工具链但编译时无法clone所依赖的submodule，我们为同学们提供了能够在Ubuntu 22.04直接使用的二进制文件，可以点击这里下载，提取码为xbkW。其中带m与不带m的区别编译器对乘法指令的处理，与前文所述相同。

下载后需要解压并设置PATH环境变量，例如你将rv64ima.tar.gz中的rv64ima文件夹解压到/mnt/c/Users/xxxx/Downloads/rv64ima，那么可以使用以下操作临时设置PATH环境变量：

export PATH=/mnt/c/Users/xxxx/Downloads/rv64ima/bin:$PATH

框架

git clone https://github.com/CQU-CS-LABs/CO-LAB-RISCV.git

Info

使用框架需要将编译器产生的bin文件夹加入PATH环境变量中（使用WSL的同学需要在WSL内加入而不是Windows中加入），对于 当前终端 添加，可以这么做：export PATH=/opt/riscv/bin:$PATH

若要永久设置环境变量，对于使用Bash（Ubuntu默认）的同学，可以将这行export添加到~/.bashrc中，大家可以通过nano、vim、code等编辑器完成修改，修改后需要重新进入bash生效。

流程

  1. 熟悉框架、熟悉RV64IM指令集、熟悉CSR。

  2. 完成RV64I指令集，跑通框架中提供的Hello World测试。

    相当于参考代码的cqu-simple-core去除乘除法指令、CSR、异常处理、特权指令（CSR的6条+mret+ECALL与EBREAK实现为空指令+可不实现WFI）。

  3. 实现CSR与乘除法（RV64M），跑通框架中提供的RISC-V Tests。

  4. 实现你想实现的任何内容，例如A扩展、Cache、分支预测，或是上板SoC调通Linux等。

Last update: 2023年1月3日