大黄鸭处理器

简介

本项目将从零开始，设计一套单核16位处理器。
为此，我将设计一套全新的指令集，代号“大黄鸭”；根据大黄鸭指令集，设计处理器内核，实现指令集的所有功能；为处理器布置必要的外设，如IO口；编写汇编器，可以将助记符转换为机器码。

本项目包含以下内容：

1. 大黄鸭指令集设计

• RISC精简指令集设计理念
• 全新设计的大黄鸭指令集
• 加载存储结构
• 16条指令，8/16位指令长度，16个寄存器，16位数据/地址位宽

2. 大黄鸭处理器设计

• 全可综合的Verilog源码
• 哈佛结构
• 3级流水线，指令单周期执行(除SV)
• 8位指令双发射
• 非向量中断
• 带有数据总线
• IO寄存器映射
• 通用IO，定时PWM，中断管理外设

3. 大黄鸭汇编器

• 将大黄鸭汇编程序转换为机器码
• 清除多余空格、行
• 容许#开头的单行注释
• 语法检查
• 立即数溢出检查
• 寄存器写入冲突检查
• 更强大的大黄鸭汇编器GUI版

处理器功能框图

项目文档

详细文档位于./doc
大黄鸭指令集
系统结构
大黄鸭汇编器
存储单元特性

开发工具

正所谓：工欲善其事，必先利其器。

• 处理器RTL设计采用Verilog-2001，此版本可读性更强，代码密度更高，并且受到综合器的广泛支持。
• 处理器RTL验证采用System Verilog-2005，此版本充分满足基本的仿真需求，并且受到仿真器的广泛支持。
• 数字逻辑仿真采用iverilog，这是一个跨平台的开源软件，可以快速地安装和使用。同时也提供了VCS仿真脚本。
• 汇编器采用Python3，脚本语言清晰易懂，搭配正则表达式便于文本操作，跨平台并且对中文有着良好的支持。
• 所有文本采用UTF-8编码，具备良好的多语言和跨平台支持。

目录结构

├─doc  相关文档   
├─pic  图片仓库    
├─RTL  
│  │  dbus.v      数据总线  
│  │  ibus.v      指令总线  
│  │  intc.v      中断管理器
│  │  io.v        io外设  
│  │  ram.v       ram外设  
│  │  SoC.v       SoC顶层  
│  │  timer.v     定时器PWM外设  
│  │  YD_core.v   大黄鸭内核  
│  │  YD_int.v    中断控制器
│  │  YD_reg.v    寄存器组  
│  ├─tb_iverilog  iverilog仿真脚本  
│  └─tb_vcs       VCS+Verdi仿真脚本   
└─tools  
    ├─asm  大黄鸭汇编器  
    └─setenv 环境配置

仿真

linux系统可以进入tools/setenv，在终端执行sh autoset.sh命令，一键自动配置仿真环境。

逻辑仿真

本项目提供了两套仿真脚本：iverilog+gtkwave 和 vcs+verdi。
iverilog+gtkwave同时支持Windows和Linux，并且提供了子模块仿真。
vcs+verdi仅支持Linux，并且仅提供了SoC仿真脚本。
请根据喜好和需求选择。

1. iverilog
   首先，终端输入iverilog -v显示版本号，请确认版本号>=11，低于此版本无法正常执行仿真。
   请进入RTL/tb_iverilog目录。
   • windows
     如果未安装或iverilog版本低，请安装v11版本。
     双击make.bat，根据提示执行不同目标。
   • linux
     如果未安装或iverilog版本低，请在终端输入sudo apt install iverilog或通过源码编译安装。
     打开终端，输入make会显示不同目标。
     根据提示，输入make <cmd>执行对应目标。
2. VCS 请进入RTL/tb_vcs目录。
   打开终端，输入make执行仿真。
   打开终端，输入make clean清理文件。

编写程序

大黄鸭汇编器是跨平台的，如果想要编写汇编程序并仿真，需要安装python3及以上版本。
进入tools/asm目录，请在asm.txt编写程序。
Win系统双击run.bat执行汇编；Linux系统在终端输入make执行汇编。
程序有误，终端会显示错误信息。
大黄鸭汇编器GUI版是专注于Windows平台的汇编器，具备友好的图形化界面。

综合

大黄鸭处理器采用Verilog-2001语法标准，RTL设计可以被绝大多数综合器所综合。使用Vivado综合后没有产生锁存器，有利于时序分析。

FPGA平台

ram、rom采用xilinx推荐的建模方式，在FPGA平台，可以被综合成BRAM。
Vivado 2019.2，7K325T FPGA，综合报告如下：

资源
LUT	916
FF	474
BRAM	0.5

时钟约束在10MHz，根据时序报告推测实际可以跑到80MHz。

ASIC平台

没有Memory Compiler,存储器就让综合器想办法吧。
综合工具：Design Vision O-2018.06-SP1
工艺库：TSMC_013 fast

Area	参数
Total cell area	30254.4
Combinational area	19879.9
Buf/Inv area	1688.9
Noncombinational area	10374.5

Power	工作电压 1.32v
Cell Leakage Power	2.5305 uW
Total Dynamic Power	1.3192 mW
Cell Internal Power	881.6719 uW
Net Switching Power	437.5506 uW

杂谈:我为什么要做大黄鸭

本项目开坑没有什么特殊原因纯属脑子一热。开坑前，我正沉迷于学习FPGA和计算机体系结构，研究各种指令集(RISC-V,MIPS,8051...)，使用各种嵌入式处理器，移植tinyriscv,e203等各种开源处理器，甚至去看了看古董(川口三6205,经典8051)。

看了各种各样指令集架构，它们都有让我喜欢和感到变扭的地方，RISC-V简洁但有些操作不方便，51虽古老但有很多闪光点，等等。千奇百怪的处理器，我越看越入迷，越看越有灵感，同时，心中也不可抑制地产生了一种想法，那就是，我能不能自己设计一套指令集？

原本我觉得这想法很可笑，毕竟我才学了一年的verilog，水平不怎么样，写处理器如同蚂蚁想要推到大树一般自大而无畏。但是，我又觉得，或许可以尝试一下。不需要这个指令集有多么优秀，能够拳打ARM脚踢RV，只要合我心意，满足最基本的顺序、选择、循环结构，可以使用汇编编写指令，对我来说，就足够了。

我有个习惯，那就是从来不打没准备的仗。热血上头的那天晚上，横竖睡不着觉，脑子里不停构思指令集怎么设计，16位一条指令怎么分配，用哈佛还是冯诺依曼。慢慢的思考，大黄鸭指令集就如拨云见日，从模模糊糊到清晰可见；把脑子里构思的指令集一条一条写下来，我觉得我能看到希望了；根据指令集在脑子里切出个2级流水线，我觉得可以动手了；翻了翻verilog手册和计算机体系结构，我充满了信心。于是，开坑！！！