A lo largo de este post se abordará el diseño y la implementación desde cero de un procesador RISC-V básico (repertorio de instrucciones RV32I, sin extensiones), sintetizable en una FPGA de rango medio-bajo y capaz de ejecutar código generado por un compilador.

Introducción

Una arquitectura de juego de instrucciones (ISA) es una especificación de un juegos de instrucciones tanto a nivel técnico (el repertorio en sí) como a nivel funcional (que hace cada instrucción, los registros afectados, etc.). Existen varias ISAs abiertas y libres, pero pocas con un crecimiento tan grande en los últimos años como RISC-V. De hecho, ya hay fabricantes ofreciendo SoCs RISC-V de varios núcleos y con MMUs que permiten ejecutar Linux de forma segura. La ISA base de RISC-V consta de un repertorio de instrucciones muy pequeño, relativamente fácil de implementar y con muy buen soporte tanto en GCC como en LLVM. El principal atractivo de esta ISA es el hecho de que cualquiera puede fabricar un SoC, una MCU o un procesador RISC-V sin tener que pagar regalías a ninguna empresa u organización.

Objetivo

El objetivo, que se plantea como una "prueba de concepto", es la implementación de un procesador RISC-V básico desde cero, en VHDL y usando código sintetizable de tipo RTL. Una vez esté la implementación terminada, se probará la CPU con código generado por el compilador GCC.

Una CPU muy sencilla

Se plantea el repertorio de instrucciones básico (el denominado "rv32i"), sin ningún tipo de extensión. Dicho repertorio consta de 39 instrucciones "de usuario" y varias instrucciones adicionales denominadas "privilegiadas" o "protegidas", destinadas principalmente al manejo de CSRs. En la implementación realizada no se han definido CSRs, ya que se trata de una CPU sin interrupciones, sin MMU y cuyo único "periférico" será un simple pin de salida (GPIO) para encender un led.

Controlador de memoria

En el RISC-V el bus de direcciones es de 32 bits y, aunque el bus de datos es de 32 bits, se pueden realizar accesos a memoria de palabra (32 bits), media palabra (16 bits) y byte (8 bits). Se plantea la realización de un pequeño controlador de memoria que abstraiga los detalles de implementación de la RAM usada, de tal manera que cuando el procesador desee leer desde la RAM (ya sea para leer una instrucción o para leer un dato) o escribir en la RAM (escribir un dato), se lo pida al controlador de memoria y éste avise cuando la operación se haya terminado.



El procedimiento para leer un dato desde la RAM es el siguiente:

1. En la entrada AddresIn (32 bits) se pone la dirección a la que se desea acceder.

2. En la entrada DataIn (32 bits) se pone el dato en caso de que se quiera escribir. Si se quiere escribir media palabra sólo se tendrán en cuenta los 16 bits menos significativos y si se quiere escribir un byte sólo se tendrán en cuenta los 8 bits menos significativos. Esta entrada se ignora en caso de que la operación sea de lectura.

3. En la entrada WidthIn se indica la anchura de trabajo: 0 para un byte, 1 para media palabra (16 bits) y 2 o 3 para una palabra de 32 bits.

4. En la entrada ExtendSignIn se indica si, a la hora de leer datos de 16 bits (media palabra) o de 8 bits (1 byte) se debe extender el signo en los bits no leidos desde la memoria. Esta entrada se ignora en caso de que la operación sea de escritura.

5. En la entrada WEIn se indica si queremos leer (0) o escribir (1).

6. En la entrada StartIn se pone un 1 para iniciar el proceso de lectura o escritura. El circuito es síncrono, por lo que el proceso empezará en el siguiente ciclo de reloj.

Tras configurar todos los pines de entrada del controlador de memoria y poner StartIn a 1, hay que esperar a que el pin ReadyOut se ponga a 1. Cuando ReadyOut se pone a 1 significa que la operación ha terminado, esto es:

- En caso de que haya sido una operación de lectura (WEIn = 0), significará que el dato que queríamos leer estará disponible en los pines DataOut del controlador de memoria (si hemos pedido leer datos de 16 o de 8 bits en DataOut aparecerá el signo extendido en caso de que lo hayamos indicado en el pin de entrada ExtendSignIn).

- En caso de que haya sido una operación de escritura (WEIn = 1), significará que el dato que queríamos escribir (DataIn) ya está alojado en la RAM.

El controlador de memoria actúa como interfaz entre el núcleo RISC-V y cualquier memoria que queramos ponerle. En este caso se ha usado la propia memoria de la FPGA pero con esta interfaz nada impide usar una SDRAM, alguna PSRAM externa o cualquier otro tipo de memoria que queramos: sólo hay que cambiar el controlador de memoria, el núcleo de la CPU no cambia.



Se definen tres ficheros VHDL:

ROM.vhd, que alberga una imagen de una ROM simulada de 4 Kbytes mapeada en 4096 posiciones de 8 bits cada una (bus de direcciones de 12 bits y bus de datos de 8 bits). Esta ROM contiene el código a ejecutar.

RAM.vhd, que alberga una definición estándar de RAM (https://www.doulos.com/knowhow/vhdl/simple-ram-model/) de 4 Kbytes mapeada también en 4096 posiciones de 8 bits cada una (bus de direcciones de 12 bits y bus de datos de 8 bits). Mediante esta implementación, todos los entornos de desarrollo de fabricantes de FPGAs infieren que quieres usar la RAM interna de la FPGA y la habilitan para ello (no gastan unidades lógicas).

Memory.vhd, que alberga la ROM y la RAM en un único bloque de memoria de 8 Kbytes (bus de direcciones de 13 bits y bus de datos de 8 bits). Los primeros 4 Kbytes son la ROM y los siguientes 4 KBytes con la RAM. En este módulo se define también un byte de GPIO que se solapa con la primera dirección de la RAM (posición 0 de la RAM, posición 4096 de la memoria total). El bit 0 de este byte GPIO está conectado directamente a un pin de salida.

MemoryController.vhd: El controlador de memoria en sí, que alberga un componente Memory (que a su vez alberga la ROM y la RAM).

Repertorio de instrucciones RV32I

Al conjunto de instrucciones básicas que debe tener cualquier procesador RISC-V de 32 bits se le denomina repertorio "base" o repertorio "RV32I". Son 39 instrucciones altamente ortogonales, muy sencillas de implementar y que siguen el paradigma RISC: instrucciones de manipulación de datos separadas de las instrucciones de acceso a la memoria.

En el documento denominado "green card" se especifica tanto el repertorio base RV32I como las extensiones estándar (M de multiplicación, A de atómicas, C de comprimidas). Nosotros sólo implementaremos el repertorio base RV32I.



Como se puede apreciar, las instrucciones de manejo de registros incluyen campos de 5 bits ($2^5 = 32$) para indicar los registros origen y destino de cada operación.

Registros de la CPU

La CPU RISC-V consta de 32 registros de 32 bits del x0 al x31. El registro x0 no es escribible y cuando se lee siempre alberga un 0.

De cara a escribir el código VHDL que sea RTL y para evitar estar definiendo 32 registros con sus correspondientes multiplexores uno por uno, usamos tipos array y bloques de tipo "generate" en VHDL. Definimos un tipo array para los 32 registros de 32 bits y definimos dos señales RegisterD y RegisterQ de este tipo:


Implementamos los biestables de forma normal:


Y definimos los multiplexores y la lógica que los activa mediante bloques "generate":


Este código genera un circuito combinacional compuesto por un decodificador (5 bits de entrada y 32 bits de salida) combinado con 31 multiplexores asociados a sus registros correspondientes:



Las entradas D (RegisterD) de los biestables de los registros provienen, o bien de la salida de la ALU (ALUOut), o bien de la salida Q (RegisterQ) de los mismos biestables (para mantener el valor). Se define un bus RegSelForALUOut de 5 bits que permite definir qué registro de los 31 disponibles recibe el dato de la ALU (el resto mantienen los datos que ya albergan). Como se puede apreciar en caso de que RegSelForALUOut valga "00000" no se hace nada, esto es compatible con el comportamiento deseado, puesto que el registro x0 no es escribible y siempre alberga un 0.

Además de los 32 registros indicados, se encuentran los registros de contador de programa (PC), registro de instrucción (IR) y "Contador". Este último registro es de 5 bits y se utiliza para llevar la cuenta en las operaciones de desplazamiento de bits.

ALU

La ALU se define de forma tabular y puramente combinacional.


Como se puede observar, las operaciones de desplazamiento de bits se implementan en la ALU en forma de desplazamiento de un bit. Lo que se ha hecho en esta implementación es, para evitar consumir demasiadas LUTs en la FPGA, hacer que, en las operaciones de desplazamiento de varios bits, sea la máquina de estados la que use el desplazamiento de 1 bit varias veces hasta conseguir el desplazamiento deseado: El código VHDL se vuelve algo más complejo y se usan tantos ciclos de reloj como bits a desplazar, pero se ahorran recursos LUT en la FPGA.

Multiplexores y registros especiales

Los multiplexores incluidos en esta implementación del RISC-V pueden dividirse en tres grupos:

- Los multiplexores que controlan las señales de entrada a la ALU (ALUIn1, ALUIn2 y ALUSel) y de salida a los registros (RegSelForALUOut).

- Los multiplexores que controlan las señales de entrada al controlador de memoria (MCWidthIn, MCAddressIn, MCStartIn, MCWEIn, MCExtendSignIn y MCDataIn).

- Y los multiplexores que controlan los registros especiales: PC, IR y Counter.

Los multiplexores que controlan las señales de entrada a la ALU serían los siguientes:



A continuación tenemos los multiplexores asociados a las entradas al controlador de memoria:



Y por último tenemos los tres multiplexores asociados a sus respectivos registros especiales: PC, IR y Counter (el registro usado para llevar la cuenta en las operaciones de desplazamiento de bits de más de 1 bit):



Como se verá a continuación, en el apartado "Máquina de estados", las entradas de selección de todos estos multiplexores están gobernadas por los diferentes estados de la máquina de estados del procesador.

Máquina de estados

Uno de los conceptos que siempre hay que tener presente a la hora de diseñar circuitos secuenciales es el concepto de "carga retrasada" ("delayed load") ya que, por la propia naturaleza de los circuitos secuenciales síncronos, los cambios en un estado no tienen lugar hasta el siguiente ciclo de reloj. Veámoslo con un ejemplo: consideremos que tenemos dos registros A y B, con sus respectivos multiplexores a su entrada. MUX_A permite seleccionar qué dato se carga en el registro A, mientras que MUX_B permite seleccionar qué dato se carga en el registro B. Consideremos, además, la siguiente máquina de estados:



Cuando la máquina de estados está en el estado 1, el multiplexor del registro A (MUX_A) está seleccionando la X, pero en el registro A aún no se habrá cargado dicho valor X, lo hará en el siguiente ciclo de reloj. Lo mismo ocurrirá con el registro B: si estamos en el estado 1 y se cumple la condición P=Q, en el siguiente ciclo de reloj pasaremos al estado 2, pero en este ciclo de reloj aún no se cargará la Y en B. Es, una vez en el estado 2 (donde se selecciona en el MUX_B la entrada Y) y después del siguiente ciclo de reloj (pasando del estado 2 al 3), cuando se cargue la Y en B.

Una vez refrescado el concepto de "carga retrasada" podemos ver la máquina de estados de nuestro RISC-V, que consta de 23 estados.

- Máquina de estados: Nodos iniciales: Son los nodos encargados del reset, de la búsqueda de la instrucción en la posición de memoria apuntada por el PC y de la carga de dicha instrucción en el registro IR.



En esta parte de la máquina de estados se puede ver que, al ponerse la entrada Reset en nivel alto, se pasa al estado 0 y en este estado se selecciona la entrada RESET_VECTOR del multiplexor MUX_PC. Esto hará que, en el siguiente ciclo de reloj, se cargue en el registro PC el valor RESET_VECTOR. Cuando la entrada Reset pasa a valor 0, en el siguiente ciclo de reloj, la máquina de estados pasará al estado 1 y en dicho estado se selecciona la entrada PC del multiplexor MUX_MCAddrIn, se selecciona la entrada a 2 del multiplexor MUX_MCWidthIn y se selecciona la entrada a 1 del multiplexor MUX_MCStartIn. Esto provocará que a partir del siguiente ciclo de reloj se inicie un proceso de lectura de 4 bytes de memoria en el controlador de memoria a partir de la dirección apuntada por el PC. El proceso de lectura terminará cuando MCReadyOut valga 1, y cuando esto ocurra, en el siguiente ciclo de reloj, la máquina de estados pasará al estado 2. En este estado 2 el multiplexor MUX_IR seleccionará como entrada MCDataOut (el dato recién leído), por lo que, con otro ciclo más de reloj (al pasar del estado 2 al 3), tendremos la instrucción recién leída de memoria cargada en el registro IR.

- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones aritméticas y lógicas: Se encargan tanto de las instrucciones de un solo ciclo como de las instrucciones de N ciclos.



Aquí se puede ver como se discrimina entre operaciones de desplazamiento de bits y resto de operaciones ya que en el caso de desplazamiento de bits necesitaremos un ciclo de reloj adicional por cada bit que queramos desplazar. El resto de operaciones se ejecutan en un único ciclo de reloj.

- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones de carga:



- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones de almacenamiento:



- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones de bifurcación:



- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones de salto:



- Máquina de estados: Nodos de ejecución de instrucciones especiales:





Nótese que la instrucción "ebreak" se implementa de forma incorrecta a propósito. Es una instrucción que no es generada por el compilador (ni "ebreak" ni "ecall") y se usa para entornos con depuración y/o sistema operativo. En este caso decidí hacer que la instrucción "ebreak" provocase un paro en el procesador.

RISC-V final

Ya tenemos el procesador RISC-V operativo (sólo la implementación base RV32I, sin extensiones). Ahora falta probarlo con código real. Realizaremos el siguiente proceso de compilación en dos pasos:



Vamos a hacer un pequeño programa en C++ (un blinker), lo compilaremos con el compilador cruzado (target "riscv32-none-elf") y la salida binaria del código RISC-V del compilador la usaremos para generar el fichero ROM.vhd que servirá, a su vez, de entrada para el compilador VHDL.

Como compilador VHDL usaremos GHDL en una primera iteración, ya que nos permite hacer una simulación y generar un fichero con todas las señales que podemos visualizar mediante el software GtkWave. Una vez comprobemos que todo sale bien, en una segunda iteración, crearemos un proyecto en un entorno de programación VHDL de un fabricante de FPGAs (en nuestro caso Quartus 13, de Intel) y lo probaremos todo sobre una FPGA real (en nuestro caso una FPGA Intel Cyclone II).

Linker script personalizado

En un post anterior de este blog se describe cómo compilar e instalar el compilador GCC cruzado para arquitectura RISC-V. Partiendo de ese post, creamos un sencillo linker script que nos permitirá compilar código para nuestro nuevo procesador. Recordemos que tenemos un espacio total de 8 Kbytes (8192 bytes) repartidos en 4096 bytes de ROM más 4096 bytes de RAM. Además el bit 0 del primer byte de la RAM se comparte con un pin de salida a modo de GPIO, por lo que podemos establecer el siguiente mapa de memoria de nuestro procesador:

1. La ROM abarca 4096 bytes desde la dirección 0x0000 (la constante RESET_VECTOR definida en RISCV.vhd) hasta la dirección 0x0FFF.

2. El pin GPIO ocupa un solo byte en la dirección 0x1000 (sólo el bit 0).

3. La RAM abarca 4095 bytes desde la dirección 0x1001 hasta la dirección 0x1FFF.

Con esta premisa podemos hacer un sencillo linker script en el que, por ahora y por simplicidad, obviamos la parte de inicialización de variables globales:


En este linker script obligamos a que el código de la sección ".startup" se aloje en el vector de reset (dirección 0, RESET_VECTOR al principio de la ROM), y el resto de código vaya a continuación. A continuación escribimos el fichero "startup.cc":


En el que definimos una función "_startup", que alojamos en la sección ".startup" y declaramos "naked" para que el compilador no genere código preámbulo ni post-ámbulo. Dentro de esa función "_startup()" inicializamos el puntero de pila al final de la RAM e invocamos a la función "main" (declarada externa). Ahora ya podemos hacer nuestro "main.cc":


Donde definimos la función "main" y el resto del código, ahora sí, de la manera usual.

Se trata de un sencillo blinker en el que el bucle de espera es de sólo 5 iteraciones (lo hacemos así para poder depurarlo cómodamente con GHDL y GtkWave). A continuación compilamos el código con el compilador cruzado de RISC-V (hacemos "make"). Si desensamblamos el .elf generado mediante la utilidad "riscv32-none-elf-objdump" podremos ver el código ensamblador generado por el GCC:


Como se puede apreciar, el código empieza en la dirección 0, que es nuestro vector de reset. El Makefile también genera un fichero "main.bin" con el volcado binario del contenido que debe tener la ROM de programa de nuestro RISC-V. En el código fuente del proyecto se suministra un script de bash que permite convertir ficheros .bin a código VHDL apto para ser insertado en ROM.vhd.

Una vez generado el ROM.vhd (a partir del "main.bin" que generó, a su vez, el compilador C++), compilamos todo el VHDL con GHDL y analizamos con GtkWave la salida de señales generada (RISCV_tb.ghw).



Análisis de la ejecución

Como se puede apreciar, el compilador ha alojado la variable "i" en la dirección de memoria 4072 de la RAM (dirección absoluta 4096 + 4072 = 8168). El procesador realiza el conteo de 0 a 5 sobre esa variable, al llegar a 5, la salida GPIO cambia de valor y vuelta a empezar.

Si hacemos zoom podemos ver el proceso de ejecución instrucción a instrucción, por ejemplo, veamos las primeras 5 instrucciones del código de ejemplo:





Cada vez que avanza el contador de programa (señal "pcq"), se inicia un proceso de lectura en el controlador de memoria ("mcstartin") que culmina con un "mcreadyout" = 1. En ese momento se carga en el registro de instrucción ("irq") la instrucción de 32 bits que se acaba de leer. Tras este proceso de lectura de la instrucción se ejecuta la instrucción en sí:

- Dirección de memoria 0x00000000, instrucción "lui x2, 2" (irq = 00002137), carga un 2 en los 20 bits más significativos del registro x2. Avanza el PC 4 bytes.

- Dirección de memoria 0x00000004, instrucción "addi x2,x2,-4" (irq = ffc10113), resta 4 al registro x2. Avanza el PC 4 bytes.

- Dirección de memoria 0x00000008, instrucción "jal x1, 10" (irq = 008000ef), guarda en x1 la dirección de la siguiente instrucción (0x0000000C) y salta a la dirección 0x00000010. Nótese como el contador de programa pasa de 0x00000008 a 0x00000010.

- Y así con el resto de instrucciones.

Implementación en una FPGA

A continuación, viendo que en un entorno simulado (GHDL), el RISC-V funciona bien, podemos pasar a la segunda iteración, que es implementarlo todo en una FPGA real. Como nos hemos molestado en generar un código totalmente RTL (con registros biestables y lógica combinacional bien diferenciados en cada entidad VHDL) y, además, para el código RAM.vhd hemos seguido la recomendación de todos los fabricantes para el uso de bloques RAM internos de la FPGA, lo más probable es que no tengamos problemas.

En nuestro caso, llevando el código directamente al Quartus 13 para implementarlo en una FPGA Intel Cyclone II (es una FPGA antigua) todo compila sin problemas, la RAM es inferida de forma correcta (el entorno asigna bloques de RAM de la FPGA para nuestra RAM) y se usa aproximadamente un 66% de los recursos de la FPGA, lo que no está nada mal para una FPGA lanzada en 2004, hoy considerada antigua y de rango bajo.

La única modificación que se hace es en el código C++, que, en lugar de iterar hasta 5, hay que iterar hasta 250000 o valores de esa magnitud para que el parpadeo del led sea perceptible:



Dependencias

Para compilar el código VHDL sólo es necesario GHDL y para la visualización de la simulación generada por GHDL recomiendo usar GtkWave. Para compilar el código C++ sirve cualquier GCC cruzado para el target "riscv32-none-elf" (puedes compilar el tuyo propio siguiendo las indicaciones que puse hace tiempo en este mismo blog).

Para implementar el RISC-V en una FPGA se necesita el entorno de desarrollo del fabricante o alguna toolchain libre que sea compatible con tu FPGA. El código VHDL es RTL por lo que no debería haber problemas con ningún entorno.

Todo el código fuente (tanto VHDL como C++) está disponible en la sección soft.

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