从零开始打造一个32位RISC-V处理器
2021-05-30
14:00:19
来源: 半导体行业观察
来源：本文来自【机器之芯】，编辑：杜伟，谢谢。
从设计 CPU、制作原型机、最终成品到软件编程，19 岁极客小伙用了整整两年的时间。
RISC-V 是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），它是对应开源软件运动的一种「开源硬件」。该项目于 2010 年始于加州大学伯克利分校，项目贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。
RISC-V 指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做，但并没有对特定的微架构做过度的设计。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。
2021 年 4 月初，一位热衷于自制 CPU 的 19 岁极客小伙 Filip Szkandera自己设计和制造出了 32 位功能性 RISC-V CPU，并构建了与其他自制计算机不同的个人计算机「菠萝一号（Pineapple ONE）」。从设计、调试和安装 CPU 和所有硬件，Filip 整整花了两年时间。Filip 还受邀在东京举办的 RISC-V Days Tokyo 2021 Spring 上做了演示，他也成为了该会议自 2017 年举办以来最年轻的演示者。
整体来看，「菠萝一号」是由
8 块
正方形打印电路板垂直堆叠组成，每块边侧高度约为 10 厘米，外加一个
VGA 显示接口卡
。一共使用了
230 多个
集成电路，大多数是 74HCT 系列逻辑芯片。示意图如下：
-
最大时钟速度：500kHz
-
程序内存：512kB
-
内存 512kB
-
闪存 512kB
-
VGA 输出：200×150px（黑白）
-
2 个 8 位输入端口
-
2 个 8 位输出端口
目前，「菠萝一号」计算机支持的命令包括：HELLO、HI、PEEK <ADDRESS>、POKE <ADDRESS> <DATA>、SYSTEM INFORMATION、CLEAR 等。
此外虽然 CPU 的运行速度仅有 500kHz，但玩个贪吃蛇游戏还是绰绰有余的：
Filip 在一篇博客中介绍了他从设计 CPU、制作原型机、输入 / 输出端口、最终成品到软件编程的技术细节（下文以第一人称叙述）。
此前，我在 Youtube 上发现了电子爱好者 Ben Eater 自制 CPU（构建著名的 8 位计算机和经典的 6502 微处理器）的相关教程，所以非常着迷，也就有了自制 CPU 的想法。然而，我觉得对于 CPU 基础知识了解的还不够，因此又观看了 Google Robotics 软件工程师 Robert Baruch 的教程视频，他只使用了基本逻辑元件构建了 32 位 RISC-V CPU。
之后，我便开始在一个名为「Logisim-Evolution」的项目中制造自己的 RISC-V CPU。我给自己设定的目标是
不使用任何微控制器或 FPGA，只使用基本的分立逻辑元件
。编译器支持的最基础 RISC-V CPU 必须包含扩展「整数（I）」且至少为 32 位。此外，我还需要安装一个 VGA（视频图形阵列）输出卡。
我花了整整 6 个月的时间在 Logisim 项目上，终于得到一个可运行的程序模拟。下一步绘制所有模块的原理图、从 JLCPCB 网站上购买所有的 PCB（印制电路板）并重新设计。由于这是我首次购买 PCB，担心搞砸一切，于是决定在设计过程中
分模块处理
，一次选购几个，以免自己应接不暇。
Logisim-Evolution 项目中的模拟原理图如下：
经过了两轮设计，最后只剩下几个模块需要处理，其中一个是直接生成器（immediate generator）。当我绞尽脑汁想将它从模拟转化为合适的原理图时，发现自己犯了一个致命错误：完全不清楚模拟是如何运行的。幸运的是，修复起来也没有那么困难，于是对已经制作完成的 PCB 做了改进。
接下来，我将
开源电子原型平台 Arduino
连接到每个 PCB 的输入端、同时监控输出端并与预测端（prediction）做对比，从而对这些 PCB 进行测试。设置好之后，一切就可以自动运行了。每次测试都至少持续数个小时。
当我准备好将所有 PCB 整合到一块时，模块也已经间隔地安装在了木头上，并使用 3D 打印垫片（spacer）来固定。接着上传了一个测试程序并开始测试。
Arduino 平台仅用来调试，没有在最终成品中使用。
尽管我单独测试了每个 PCB，但首次尝试还是失败了，这不足为奇。我又不得不花费大量时间来找失败的原因，找出了一些错误，如很难发现的时序问题。
我构建的 RISC-V CPU 拥有
两个 8 位输入端口和两个 8 位输出端口
，你可以通过 RJ50 连接器在前板上访问。此外，顶部模块上有一个 7 段式显示器（7-segment display），它与一个可以通过程序访问的寄存器相连。
至于与 VGA 显示器的连接，我受 Ben Eater 的启发构建了一个 VGA 卡。VGA 的输出分辨率是 200×150 像素，黑白显示。虽然我想实现彩色显示，但需要使用大型 V-RAM，太贵了，也就放弃了。
下板（board）将显示存储在 EEPROM（带电可擦可编程只读存储器，型号 39SF010A）中的静态图像。我在最终成品中使用到了双端口 SRAM（静态随机存取存储器）。
我还构建了一些演示用的 I/O 模块，它们在末端都有 RJ50 连接器。
PS/2 解码器是买的现成的，我没有时间自己制作。
让原型机运行不太容易，在大约 5 个月的时间后，我终于成功了。
我又重新设计了所有的 PCB，修复错误，并将这些 PCB 以塔状结构堆叠，所以每个模块仅用针座（pinheader）相连接。重新设计 PCB 大约花了 3 个月的时间，然后对最终的 PCB 进行有序排列。
此外，我还设计并使用 Prusa i3 3D 打印机打印了一个
圆柱体外壳
，足以容纳所有的 PCB 和 I/O 连接器，这样也可以将键盘和 VGA 显示器直接连接到计算机。
最后，在经过了数百小时的设计、焊接和调试，我终于看到了成功的曙光。在好友 Jan Vykydal 的帮助下，我设置了一个
兼容 RISC-V 且运行良好的编译器
，使用 C 语言编写了一些系统软件和 demo 程序。这个编译器可以生成机器代码，我使用一个 Python 脚本来接收代码并 flash 入 CPU 内存。
利用这个库，我创建了一个简单的 shell 程序，这样可以通过「与其中一个输入端口相连的 PS/2 键盘」来实现与该程序的交互。我使用带有模块的 PS/2 键盘将输入信号解码为 8 位。
大功告成！
https://riscv-association.jp/en/2021/04/filip-szkandera/
https://hackaday.io/project/178826-pineapple-one/details
https://www.youtube.com/watch?v=NUAVKNVrPh0&t=16s
https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/build-a-riscv-cpu-from-scratch
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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