一個基于精簡指令集原則的開源指令集架構RISC-V

RISC-V是一個基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構（ISA）。

這里要明確兩個概念：指令集規范（Specification）和處理器實現（Implementation）是兩個不同層次的概念，要區分開。指令集（ISA）是規范標準，往往用一本書或幾張紙來記錄描述，而處理器實現是基于指令集規范完成的源代碼。RISC-V是一個指令集規范。

我們可以基于x86/ARM/ RISC-V指令集，進行處理器微架構設計和實現形成源代碼，并通過流片最終形成芯片產品。其中指令集規范與處理器實現的知識產權是獨立的，不能混為一談。

"RISC-V是開源的"表示指令集規范是開源、開放和免費的（open and free），這與x86與ARM指令集有本質不同，但并不是指具體的處理器實現也都是開源免費的。

基于RISC-V指令集規范，既可以由開源社區來開發開源免費版的處理器實現（如Berkeley開發的Rocket核等），也可以有商業公司開發收費授權版的處理器實現（如國內平頭哥玄鐵910、芯來N200核與優矽渭河WH-32核等）。

下面按照實現難度大致排序

新增1、tinyriscv

tinyriscv

實現的是一個單核32位的小型RISC-V處理器核(tinyriscv)，采用verilog語言編寫。設計目標是對標ARM Cortex-M3系列處理器。tinyriscv有以下特點：

支持RV32IM指令集，通過RISC-V指令兼容性測試；

采用三級流水線，即取指，譯碼，執行；

可以運行C語言程序；

支持JTAG，可以通過openocd讀寫內存(在線更新程序)；

支持中斷；

支持總線；

支持FreeRTOS；

支持通過串口更新程序；

容易移植到任何FPGA平臺(如果資源足夠的話)；

整體架構

RIDECORE (RISc-v Dynamic Execution CORE) 是一個用 Verilog HDL 編寫的亂序 RISC-V 處理器。

RIDECORE 的微架構基于“現代處理器設計：超標量處理器的基礎”。因此，我們建議用戶在使用 RIDECORE 之前閱讀本書和我們的文檔。

到目前為止，我們的 FPGA 原型設計已經在 Xilinx VC707 板進行了原型驗證。該原型可以在 50MHz 的時鐘頻率下運行。

ridecode的架構如下：

新增3、nanoFOX

可以“觸摸”的RISC-V。

使用SystemVerilog實現的一個小型RISC-V CPU內核。這是一個帶有AHB和緩存（完整命令列表RV32I（沒有fence、fence.i、ecall、ebreak））的RV-CPU版本。

nanoFOX 目前可以在這些 FPGA 板上工作：

Storm_IV_E6_V2（Altera Cyclone IV FPGA）

rz_easyFPGA_A2_1（Altera Cyclone IV FPGA）

Terasic DE10-Lite（Altera MAX10 FPGA）

Terasic DE0-Nano（Altera Cyclone IV FPGA）

整個項目文件夾整理的非常清晰，每個板卡有單獨的文件夾，同時仿真文件齊全，構建項目也簡單，值得一試。

1、darkriscv

一晚從頭開始實現開源RISC-V！

盡管與其他 RISC-V 實現相比，代碼小而粗糙，但是作為初學或者初識RISC-V很友善（簡易）。雖然很簡易，但DarkRISCV具有許多令人印象深刻的功能：

實現大部分 RISC-V RV32E 指令集

實現大部分RISC-V RV32I指令集（缺少csr*、e和fence）

在超大規模 ku040 中工作頻率高達 250MHz（400MHz 帶超頻！）

便宜的 spartan-6 高達 100MHz，適合小型 spartan-3E，例如 XC3S100E！

大多數時間（通常是 71% 的時間）可以維持每條指令 1 個時鐘

靈活的哈佛架構（易于集成緩存控制器、總線橋等）

在 xilinx（spartan-3、spartan-6、spartan-7、artix-7、kintex-7 和 kintex ultrascale）中運行良好

與一些altera和lattice FPGA一起工作得很好

適用于 RISC-V 的 gcc 9.0.0（無需補丁！）

使用 850-1500LUT（核心僅使用 LUT6 技術，取決于啟用的功能和優化）

可選的 RV32E 支持（與 LUT4 FPGA 配合使用效果更好）

可選的 16x16 位 MAC 指令（用于數字信號處理）

可選的粗粒度多線程 (MT)

流水線階段之間沒有互鎖！

BSD 許可證：可以在任何地方使用，沒有限制！

是不是迫不及待去試一試了！

2、picoRiscV

這個其實不需要過多介紹了，小巧且完善的RISC-V。

PicoRV32 是實現RISC-V RV32IMC 指令集的 CPU 內核。它可以配置為 RV32E、RV32I、RV32IC、RV32IM 或 RV32IMC 內核，并可選擇包含內置中斷控制器。

特點：

小型（7 系列 Xilinx 架構中的 750-2000 個 LUT）

高 fmax（7 系列 Xilinx FPGA 上為 250-450 MHz）

可選擇的本機內存接口或 AXI4-Lite 主控

可選的 IRQ 支持（使用簡單的自定義 ISA）

可選的協處理器接口

該 CPU 旨在用作 FPGA 設計和 ASIC 中的輔助處理器。由于其高fmax，它可以集成到大多數現有設計中，而無需跨越時鐘域。當在較低頻率下運行時，它會有很多時序裕量，因此可以添加到設計中而不會影響時序收斂。

3、cva6

CVA6 是一個 6 級、有序 CPU，它實現了 64 位 RISC-V 指令集。它完全實現了 I、M、A 和 C 擴展，如第 I 卷：用戶級 ISA V 2.3 以及特權擴展草案 1.10 中所述。它實現了三個權限級別 M、S、U 以完全支持類 Unix 操作系統。公眾號：OpenFPGA

它具有可配置的大小、單獨的 TLB、硬件 PTW 和分支預測（分支目標緩沖區和分支歷史表）。主要設計目標是減少關鍵路徑長度。

4、VexRiscv

用 SpinalHDL 編寫的 RISC-V 實現。以下是一些規格：

RV32I[M][A][F[D]][C] 指令集

流水線從 2 到 5+ 個階段（[Fetch*X]、Decode、Execute、[Memory]、[WriteBack]）

1.44 DMIPS/Mhz --no-inline 當幾乎所有功能都啟用時（1.57 DMIPS/Mhz 當分頻器查找表啟用時）

針對 FPGA 進行了優化，不使用任何供應商特定的 IP /原語

AXI4、Avalon、wishbone

可選的 MUL/DIV 擴展

可選 F32/F64 FPU（目前需要數據緩存）

可選的指令和數據緩存，公眾號：OpenFPGA

可選硬件重新填充 MMU

可選的調試擴展允許通過 GDB >> openOCD >> JTAG 連接進行 Eclipse 調試

RISC-V 特權 ISA 規范 v1.10 中定義的機器、[Supervisor] 和 [User] 模式的可選中斷和異常處理。

移位指令的兩種實現：單周期（全桶式移位器）和shiftNumber周期

每個階段可以有可選的旁路或互鎖危險邏輯

Linux 兼容

Zephyr兼容

FreeRTOS 端口

下面是運行的最高主頻及消耗的資源：

VexRiscv?small?(RV32I,?0.52?DMIPS/Mhz,?no?datapath?bypass,?no?interrupt)?->
????Artix?7?????->?243?Mhz?504?LUT?505?FF?
????Cyclone?V???->?174?Mhz?352?ALMs
????Cyclone?IV??->?179?Mhz?731?LUT?494?FF?
????iCE40???????->?92?Mhz?1130?LC

VexRiscv?small?(RV32I,?0.52?DMIPS/Mhz,?no?datapath?bypass)?->
????Artix?7?????->?240?Mhz?556?LUT?566?FF?
????Cyclone?V???->?194?Mhz?394?ALMs
????Cyclone?IV??->?174?Mhz?831?LUT?555?FF?
????iCE40???????->?85?Mhz?1292?LC

VexRiscv?small?and?productive?(RV32I,?0.82?DMIPS/Mhz)??->
????Artix?7?????->?232?Mhz?816?LUT?534?FF?
????Cyclone?V???->?155?Mhz?492?ALMs
????Cyclone?IV??->?155?Mhz?1,111?LUT?530?FF?
????iCE40???????->?63?Mhz?1596?LC

VexRiscv?small?and?productive?with?I$?(RV32I,?0.70?DMIPS/Mhz,?4KB-I$)??->
????Artix?7?????->?220?Mhz?730?LUT?570?FF?
????Cyclone?V???->?142?Mhz?501?ALMs
????Cyclone?IV??->?150?Mhz?1,139?LUT?536?FF?
????iCE40???????->?66?Mhz?1680?LC

VexRiscv?full?no?cache?(RV32IM,?1.21?DMIPS/Mhz?2.30?Coremark/Mhz,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?static?branch)?->
????Artix?7?????->?216?Mhz?1418?LUT?949?FF?
????Cyclone?V???->?133?Mhz?933?ALMs
????Cyclone?IV??->?143?Mhz?2,076?LUT?972?FF?

VexRiscv?full?(RV32IM,?1.21?DMIPS/Mhz?2.30?Coremark/Mhz?with?cache?trashing,?4KB-I$,4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?static?branch)?->
????Artix?7?????->?199?Mhz?1840?LUT?1158?FF?
????Cyclone?V???->?141?Mhz?1,166?ALMs
????Cyclone?IV??->?131?Mhz?2,407?LUT?1,067?FF?

VexRiscv?full?max?perf?(HZ*IPC)?->?(RV32IM,?1.38?DMIPS/Mhz?2.57?Coremark/Mhz,?8KB-I$,8KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?dynamic?branch?prediction?in?the?fetch?stage,?branch?and?shift?operations?done?in?the?Execute?stage)?->
????Artix?7?????->?200?Mhz?1935?LUT?1216?FF?
????Cyclone?V???->?130?Mhz?1,166?ALMs
????Cyclone?IV??->?126?Mhz?2,484?LUT?1,120?FF?

VexRiscv?full?with?MMU?(RV32IM,?1.24?DMIPS/Mhz?2.35?Coremark/Mhz,?with?cache?trashing,?4KB-I$,?4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?debug?module,?catch?exceptions,?dynamic?branch,?MMU)?->
????Artix?7?????->?151?Mhz?2021?LUT?1541?FF?
????Cyclone?V???->?124?Mhz?1,368?ALMs
????Cyclone?IV?->?128?Mhz?2,826?LUT?1,474?FF?

VexRiscv?linux?balanced?(RV32IMA,?1.21?DMIPS/Mhz?2.27?Coremark/Mhz,?with?cache?trashing,?4KB-I$,?4KB-D$,?single?cycle?barrel?shifter,?catch?exceptions,?static?branch,?MMU,?Supervisor,?Compatible?with?mainstream?linux)?->
????Artix?7?????->?180?Mhz?2883?LUT?2130?FF?
????Cyclone?V???->?131?Mhz?1,764?ALMs
????Cyclone?IV??->?121?Mhz?3,608?LUT?2,082?FF?

VexRiscv有個官方的SoC：Briey，使用AXI接口。和Rocket Chip一樣，支持Verilator+OpenOCD+GDB仿真。和Rocketchip一樣都是使用scala解釋器sbt工具.

關于Spinal，可以查看《從Verilog到SpinalHDL》。

以上幾個小項目都適合了解和入門RISC-V，簡易是最大的特點，最主要的是都可以在FPGA開發板上運行，而且對FPGA要求也不高。

接下來就是幾個成熟點的項目了。

5、平頭哥無劍100

平頭哥無劍100

文檔目錄如下：

|--Project????????????????//open?source?project?work?directory??
??|--riscv_toolchain??????//tool?chain?install?directory?download?from?t-head.cn
??|--wujian100_open???????//wujian100_open?project?get?from?github
????|--case???????????????//test?case?example?for?simulation
????|--doc????????????????//wujian100_open?user?guide
????|--fpga???????????????//FPGA?script
????|--lib????????????????//compile?script?for?simulation
????|--regress????????????//regression?result
????|--sdk????????????????//software?design?kit
????|--soc????????????????//Soc?RTL?source?code
????|--tb?????????????????//test?bench
????|--tools??????????????//simulation?script?and?setup?file
????|--workdir????????????//simulation?directory
????|--LICENSE
????|--README.md

6、Hummingbirdv2 E203 Core and SoC

芯來科技研發的一款RISC-V core&SOC，是SI-RISCV/e200_opensource (https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource)的進階版。

該存儲庫托管開源 Hummingbirdv2 E203 RISC-V 處理器內核和 SoC 的項目，它由基于中國大陸的領先 RISC-V IP 和解決方案公司Nuclei System Technology開發和開源。公眾號：OpenFPGA

這是SI-RISCV/e200_opensource中維護的Hummingbird E203項目的升級版，所以我們稱之為Hummingbirdv2 E203.

在這個新版本中，我們有以下更新。

為 E203 內核添加 NICE（Nuclei Instruction Co-unit Extension），因此用戶可以輕松創建帶有 E203 內核的定制硬件協同單元。

將PULP Platform的APB接口外設（GPIO、I2C、UART、SPI、PWM）集成到Hummingbirdv2 SoC中，這些外設采用Verilog語言實現，便于用戶理解。

為 Hummingbirdv2 SoC 添加新的開發板（Nuclei ddr200t 和 mcu200t）支持。

7、香山開源高性能處理器

“香山”基于Chisel語言開發，支持多核，采用亂序執行、11級流水、6發射。采用28nm臺積電工藝預計達到1.3Ghz主頻，采用中芯國際14nm工藝預計達到2Ghz主頻。性能評估為7/Ghz(SEPC2006)，換言之，第一版的雁棲湖架構對標的是ARM A72/A73。

“香山”第二代南湖架構的目標是10/G，在采用中芯國際14nm工藝的情況下主頻達到2Ghz。從參數上看，南湖架構對標的是A76，2G主頻下SPEC06達到20分。如果能夠實現這一設計目標，裸CPU性能在RISC-V處理器中是首屈一指的。

架構如下：

8、木心處理器

木心處理器是一系列易于學習的 RISC-V 處理器和相關的基于 VSCode 的 IDE 稱為 TreeCore，具有豐富、詳細和交互式的在線教程，對初學者很友好。基于 VSCode 的 IDE 集成了代碼分析、波形模擬功能，可以自動從云服務器中查找和組裝特定的工具鏈、IP 核和庫依賴項，以開發處理器或應用程序。

特征：

對verilog、vhdl、chisel 和spinalHDL 的完整語言支持。

現代用戶界面

輕便、開箱即用的功能

GPU 加速以實現快速實時渲染

9、Rocket

（UCB）標量處理器：64位、5級流水線、但發射順序執行處理器，特征：

支持MMU，支持分頁虛擬內存。可以移植到Linux操作系統

具有兼容的的IEEE 754-2008標準的FPU

具有分支預測功能，具有BPB（Branch Prediction Buff）、BHT（Branch History Table）、RAS（Return Address Stack）

Rocket同樣采用Chisel語言編寫；

10、BOOM

（UCB）超標量亂序執行處理器；

BOOM也是采用Chisel編寫，全部代碼大約9000行；指令為RV64G

6級流水線：取指、譯碼/重命名/指令分配、發射/讀寄存器、執行、內存訪問、回寫

11、Sodor

（UCB）針對教學的32位開源處理器。Chisel編寫，支持5種處理器：單周期處理器、2級流水線處理器、3級流水線處理器、5級流水線處理器、可執行微碼的處理器。公眾號：OpenFPGA

早期出于教學目的處理器，使用Chisel編寫，沒有什么實際商用價值。已經很長時間沒有更新了。

結構相對清晰一些，如對不同深度PipeLine都有描述（分別有1階、2階、3階和5階）；可以作為很好的示范代碼

12、YARVI

VARVI是RISC-V愛好者Tommy Thorn設計發布的簡單的、32位開源處理器，實現了RV32I，使用Verilog，目標是為了能夠清晰準確的實現RV32I

13、Pulpino

由蘇黎世聯邦理工大學與意大利博洛尼亞大學聯合開發。32位，指令集：RV32I/RV32C/RV32M，擴展了RISC-V指令；多核

14、GRVI Phalanx

大規模并行RISC-V（最多到千核），2~3級流水線，32位，其中在Artix-7 35T開發板上已經實現32 RISC-V處理器；在PYNQ-Z1上實現了80核；在UltraScale上實現了1680核的RISC-V；不開源

15、Ibex

提到開源RISC-V就不能不提Riscy系列了，尤其是zero-riscy，使用很廣泛。Ibex是脫胎于zero-riscy的core，支持RV32IMC及一些Z系列指令，由LowRISC維護。Ibex小巧精悍，文檔詳實，學習資料豐富，支持verilator，可以使用verilator+openOCD+GDB 仿真時debug。對于我這樣的重度Verilator依賴者來說非常友好。

Ibex支持machine mode和user mode兩種privilege mode，可以實現比單machine mode更加豐富的功能。Ibex采用system verilog開發，對于傳統的IC工程師是個好消息。Ibex現在也支持了指令cache了，提高了performance，但裝了cache會讓core變得臃腫很多，對于學習cache controller的設計是個好事情。

Ibex使用類TLUL的自定義接口，官方的SoC是PULP。Google的OpenTitan項目也是基于Ibex。相關的設計學習資料算是相當多了。

16、SweRV EH1

SweRV EH1是WD開發的其中一款RISC-V core，支持RV32IMC，雙發射，單線程，9級流水，性能應該說是相當不錯，28nm可以跑到1GHz。而且還有份詳細的文檔，不愧是大廠出品。

SweRV是使用Verilog/System Verilog開發，使用AXI接口，對熟悉AMBA且不想去學Chisel及Scala的同學來說是相當友好了。而且支持verilator，必須點贊。值得一提的是SweRV帶指令cache，且實現了豐富的cache maintenance自定義指令，非常值得學習。