8日で作るオレオレRISC-V CPU

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1. 8日で作るオレオレRISC-V CPU 無線と実験_令和版@アックス京都本社 2022/AUG/16 株式会社アックス　松永大輝
2. 自己紹介 • 松永 大輝 (@matsud224) • 株式会社アックス 勤務 • 趣味で作ったもの ◦ TCP/IP搭載のUNIXライクOS（matsud224/tinyos） ◦ オレオレプログラミング言語（matsud224/soramame） ◦ Prolog to WAM codeコンパイラ（matsud224/wamcompiler） ◦ ラズパイで動くハイパーバイザ（ matsud224/raspvisor） ◦ GameBoyエミュレータ（matsud224/gb_emu） ◦ など...
3. きっかけ • OSSコンソーシアム様よりTang Primer FPGAをお借りした • とりあえず遊んでみた ◦ 大学の講義で少し触ったVerilog（ハードウェア記述言語）を思い出しながら、論理 を記述 ◦ まずは定番のLチカ ◦ カラーバーやキャラクタのVGA出力 ▪ Verilog以上に、ピンヘッダのはんだ付けに苦戦...
4. きっかけ • 格安FPGAといえども、まだまだリソースには余裕がある • せっかくなので、もう少し複雑な論理を書きたい • そこで、CPUを作ることにした ◦ ISAは今流行りのRISC-Vで
5. 今回実装したもの • RISC-V 32bit CPU ◦ ソースコード: https://github.com/matsud224/rvcpu/tree/simple-cpu ▪ Verilogで記述、500行を切っている ◦ 整数命令セット RV32I を実装 ▪ 整数演算・分岐・ロード・ストア • 以降、製作記...
6. 0日目：仕様書読み • RV32Iの仕様は、Specifications - RISC-V International の”Volume 1, Unprivileged Spec”にある ◦ たったの18ページ! ◦ 40命令ある • イタリック体のメモ部分が面白い ◦ この仕様に決定した理由や、実装上の注意点が書かれている
7. 1-2日目：実装 • 命令から各フィールドを切り出すデコーダの実装 ◦ 仕様書の後ろにある”Instruction Set Listings”とにらめっこ • 1命令の実行に複数サイクル使う実装にした ◦ ステートマシンを書く ◦ 命令の種類で分岐し、対応する演算やレジスタ書き込み、メモリアクセスを行う • 趣味ではあるが、まじめにテストも行う ◦ riscv-tests (https://github.com/riscv-software-src/riscv-tests) を使用 ◦ 命令ごとにテスト（アセンブリ言語で記述）が用意されている ◦ Verilogシミュレータ（Icarus Verilog）でシミュレーションを行い、このテストを流す
8. 3-4日目：論理合成にかける • 全テストをパスしたので、次は実機動作を目指す • が、Tang Primerではリソース不足に • プログラマ的なVerilog記述になっていたことが原因 ◦ さまざまな場所で代入や演算を行っており、演算器が多数生成されてしまっていた ◦ （論理合成系がリソースシェアリングしてくれることを期待していたが.....） • ハードウェアを意識した書き方に変更してみた ◦ ALU部を独立させ、オペランドや演算種別の切り替え論理を明示的に記述 ◦ リソースシェアリングされるよう、入力オペランドの切り替えを明示的に記述 ◦ 書きやすさのために可変回数シフトを使用していたが、必要最小限に減らした ◦ 結果、リソース使用量が激減した
9. 5-6日目：クロスコンパイル環境構築、ROM・RAM・LEDをCPUに接続 • ROM, RAMにはFPGAのIPを使用 • RISC-V用gccでクロスコンパイルしたプログラムをROMに書き込んだ状態で実行 できるようにする ◦ ELFから必要なセクションを抽出 ◦ FPGAのツールが認識する MIF形式に変換するツールを作成 • Lチカのために、RGB LEDをメモリにマッピング
10. 7日目：Lチカ on 自作RISC-V CPUに成功 • デバッグを繰り返し... • RGB LEDの色を順番に切り替える、下記のコードが実機で動作した！ • この時点で、リソース使用はLUT 34%、REG 6%（2コアにできそう??） • 最大動作周波数は24MHz void main() { volatile unsigned int *led = (volatile unsigned int *)0x1000000; *led = 0; while (1) { for (volatile int i=0; i<2400000; i++); int prev = *led; *led = prev==8 ? 0 : prev+1; } }
11. 他にやったこと • UARTの送信部を追加し、文字を出力できるようにした • CoreMarkベンチマークを移植し、走らせてみた ◦ CoreMark値: 35 ◦ CoreMark/MHz値: 1.46 ◦ （単純に比較はできないが、 ◦ E203は2.14, RocketChipは2.32） 2K performance run parameters for coremark. CoreMark Size : 666 Total ticks : 1363203067 Total time (secs): 56 Iterations/Sec : 35 Iterations : 2000 Compiler version : GCC11.1.0 Compiler flags : -Wall -O2 -ffreestanding -nostartfiles -T link.ld -march=rv32im -mabi=ilp32 -mno-div Memory location : STACK seedcrc : 0xe9f5 [0]crclist : 0xe714 [0]crcmatrix : 0x1fd7 [0]crcstate : 0x8e3a [0]crcfinal : 0x4983 Correct operation validated. See README.md for run and reporting rules.
12. データパス（概略）
13. Tang Primerについて • 激安FPGAだがRISC-Vコアが載る程度のリソース量はあり、楽しく遊べた • IDEが簡素で使いやすい • 論理合成系がかなり不安定 ◦ 正しいVerilogコードを入力しても、突然ハングアップすることが多々あった ◦ 合成が進むようコードの順番を無意味に入れ替えたりした ◦ 論理合成が通ることを祈るしかない • 中国語マニュアルしか付属しないが、ネットを探せば英語版も見つかった: ◦ Tang Dynasty (TD) Software Manual (v4.2, 2018.07) ◦ Anlogic Technology EAGLE Series FPGA Data Sheet
14. まとめ • 素朴なRISC-V CPUを作った • 動作は遅いが、消費するリソースが少ないという長所はある • 次はパイプライン化を行ってIPCと動作周波数を上げたい • FPGAならではの、CPUとはアーキテクチャの異なるアクセラレータも作ってみたい
15. 以上