开源mips32r2p7及其SoC系统

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为了感谢版主leishangwen 和 eetop上很多前辈和同学对开源和MIPS的支持，我也来贡献一个开源处理器mips32r2p7及由其搭建的SoC系统，有空的同学可以玩玩。放在OpenMIPS这个版块下，望leishangwen不要介意。



先大概解释下这个名字的意思，mips代表选用的是mips的体系结构；32说明这是个32位的CPU；r2说明兼容的指令集是release 2；p7说明CPU采用了7级流水线。（以前在opencores上看到了Utah大学发布的mips32r1的IP核，感觉写的很不错）




mips32r2p7具有以下特点：
1. 七级流水线：取指1、取指2、读寄存器、执行、访存、异常、写回；
2. 32位数据与地址宽度；
3. 总线采用AHB和APB协议（其中AHB频率50MHz，APB频率10MHz）；
4. 静态可配置的大/小端模式；
5. 精确异常，支持外部中断；
6. 分立的指令和数据Cache，可配置为1-4way，1~256KB，突发传输，不过目前只支持LRU替换策略和写回模式‘；
7. 基于分支历史的分支预测，分支历史表（BHT）大小可配置；
8. 支持返回地址预测，返回预测堆栈（RPS）大小可配置；
9. 支持绝大部分整数指令；
10. 支持C编译器（mips-sde-elf-gcc）；
11. 支持ucos ii 操作系统；
12. 可综合，synplify_premier综合后报的DE2_115(Cyclone IV E)上能跑的最大频率位66MHz；
13. 性能dhrystone：1.40DMIPS/MHz，Coremark： 2.34 CoreMarks/MHz；貌似和LEON3差不多；
         （配置：Cache：4ways 4KB；  BHT：512；  RPS：8；gcc：-O3； 用MIPS的performance counter算出来的，希望没算错）




SoC包含以下部分：
1. mips32r2p7：当然就是上述CPU；
2. ahb_matrix：AHB总线互联矩阵，支持1~16个master，1~16个slave，由Leon3上的互联器改编而来；
3. 存储器控制器：目前只包含flash和sdram，挂在ahb_matrix下，均支持突发传输。flash控制器自己写的，只支持DE2_115上的flash，但改为支持其他的flash应该也不复杂；sdram控制器用的是opencores上的sdr_ctrl项目，不过将其总线改为了AHB；
4. ahb2apb_bridge：ahb转apb的桥接器，目前只支持同源的异步时钟，支持1~16个slave；
5. 外设IP：目前只有gpio和uart的IP，挂在ahb2apb_bridge下；
（以上IP能在mips32r2p7/rtl目录下找到）




由于目前在外面实习，手头没有开发板，所以只能做到仿真这一步。不过目前已经通过了门级的仿真，修修外设的时序，跑起来应该问题不大，等4、5月份回学校再上板调试；
仿真所用到的model如下：
flash： Spansion公司出的s29gl064n01.v model，和DE2_115开发板上的一致；
sdram： 由于ISSI公司的model比较少，没有找到相应的型号model，所以采用了micron公司的mt48lc4m32b2.v；
gpio：自己写的，当IO口的值改变时，用$display打印出信息；
uart：自己写的，将输出的结果打印，同时写到仿真目录的uart.log文件里；
（以上model能在mips32r2p7/model目录下找到）


建立环境流程（很遗憾笔记本装了linux系统，给大家带来不便，不过对于IC/FPGA来说，还是linux比较好用些）：
1. 安装linux（必须），支持的版本：rhel（推荐）、centos、ubuntu、fedora；
2. 安装verilog仿真工具，并xxx（必须），可供选择的有：vcs、incisiv、modelsim；
3. 安装verdi，并xxx（可选），想看波形的安装；
4. 安装mips-sde-elf-gcc，想调软件的安装；
5. 安装synplify,quartus，并xxx（可选），想重新综合的安装；
6. 将mips32r2p7.tar.bz2的包解压到linux任意有rwx权限的目录下，例如/home/yourname/
7. 设置环境变量，打开mips32r2p7/env.sh文件，根据实际情况修改一下变量：
        以下一个变量必须设置，
        export PROJ_HOME=        （修改为工程所在的目录，例如export PROJ_HOME=/home/wzk/Projects/mips32r2p7）
        以下三个变量设置一个即可，
        export VCS_HOME=         （修改为VCS的安装目录，例如export VCS_HOME=/home/wzk/Tools/synopsys/vcs_mx_vH-2013.06）
        export INCISIV_HOME=    （修改为INCISIV的安装目录，例如export INCISIV_HOME=/home/wzk/Tools/cadence/incisiv-13.20.002）
        export MODELSIM_HOME=（修改为MODELSIM的安装目录，例如MODELSIM_HOME=/home/wzk/Tools/mentor/questasim-                                                                                                           10.2b/questasim/linux_x86_64）
        以下变量可根据需求选择性设置，
        export VERDI_HOME=/home/wzk/Tools/synopsys/verdi3-2012.10
        export QUARTUS_HOME=/home/wzk/Tools/altera/13.1/quartus
        export SYNPLIFY_HOME=/home/wzk/Tools/synopsys/fpga_vI-2013.09-SP1
        export MIPS_HOME=/home/wzk/Tools/Sourcery_CodeBench_Lite_for_MIPS_ELF
8. source env.sh，使环境变量生效，每次开启新的terminal都要source下env.sh这个文件；
9. 新建一个仿真目录，例如mips32r2p7/sim
10. 输入命令sims case [-g] [-d] [-vcs/-incisiv/-modelsim] [-64]
     case：case的名字，目前有的case有：gpio_test、uart_test、dhrystone、coremark、ucos_ii；
     -g：   表示用synplify综合的网表文件来跑仿真，而不是默认的rtl文件，网表文件我已经综合好了；
     -d：   表示将仿真时的波形dump出来，没有装verdi的就不要加这个选项；
     -vcs/-incisiv/-modelsim：表示用那个工具来跑仿真，同理；如果不加这个命令，命令会自动根据env.sh寻找存在的工具；
     -64：  表示采用64位的工具跑仿真；
     举几个例子：
     1. 比如想用modelsim跑dhrystone的rtl仿真，不用dump波形，命令是：sims dhrystone -modelsim
     2. 比如想用vcs跑coremark的rtl仿真，并dump波形；命令是：sims coremark -d -vcs
     3. 比如想用incisiv跑ucos ii的gate仿真，并dump波形，命令是：sims ucos_ii -g -d -incisiv
     其实这个命令就是个简单的shell脚本，mips32r2p7/bin/sims
11. 如果没什么报出错误，之后喝杯水看看电影，等结果就行了；对于会执行完的程序（从main返回），仿真会自动停止；对于不会执行完的程序，例如         ucos ii的例子，需要手动停下来，Ctrl+C or Ctrl+4；
12. 跑完了查看下log和uart.log文件，看看输出结果是否正确；
13. 对于装了verdi，加了-d选项跑仿真的，可以在仿真目录下运行./verdi.cmd来启动verdi，查看波形；
14. 如果想改程序，可以到mips32r2p7/software/demos下修改；


dhrystone结果（mips32r2p7/sim_dhrystone/uart.log)：
Dhrystone Benchmark, Version 2.1 (Language: C)
Program compiled without 'register' attribute
Execution starts, 10000 runs through Dhrystone
Execution ends
Final values of the variables used in the benchmark:
Int_Glob:            5
        should be:   5
Bool_Glob:           1
        should be:   1
Ch_1_Glob:           c
        should be:   c
Ch_2_Glob:           c
        should be:   c
Arr_1_Glob[8]:       7
        should be:   7
Arr_2_Glob[8][7]:    10010
        should be:   Number_Of_Runs + 10
Ptr_Glob->
  Ptr_Comp:          402652992
        should be:   (implementation-dependent)
  Discr:             0
        should be:   0
  Enum_Comp:         2
        should be:   2
  Int_Comp:          17
        should be:   17
  Str_Comp:          DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
Next_Ptr_Glob->
  Ptr_Comp:          402652992
        should be:   (implementation-dependent), same as above
  Discr:             0
        should be:   0
  Enum_Comp:         1
        should be:   1
  Int_Comp:          18
        should be:   18
  Str_Comp:          DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
Int_1_Loc:           5
        should be:   5
Int_2_Loc:           13
        should be:   13
Int_3_Loc:           7
        should be:   7
Enum_Loc:            1
        should be:   1
Str_1_Loc:           DHRYSTONE PROGRAM, 1'ST STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, 1'ST STRING
Str_2_Loc:           DHRYSTONE PROGRAM, 2'ND STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, 2'ND STRING


DHRYSTONE Result:
The dhrystone program runs 4052907 clock cycles
This CPU is: 1.40 DMIPS/MHz



Coremark结果（mips32r2p7/sim_coremark/uart.log）
2K performance run parameters for coremark.
CoreMark Size    : 666
Total ticks      : 17037059
Total time (secs): 0
Iterations       : 40
Compiler version : GCC4.8.1
Compiler flags   : -O3
Memory location  : STATIC
seedcrc          : 0xe9f5
[0]crclist       : 0xe714
[0]crcmatrix     : 0x1fd7
[0]crcstate      : 0x8e3a
[0]crcfinal      : 0x65c5
Correct operation validated. See readme.txt for run and reporting rules.
CoreMark 1.0     : 2.34 CoreMarks/MHz


QQ: 491179885email: wang.zekun@163.com


工程文件分享：
v0.5.0: 链接: http://pan.baidu.com/s/1c0xNlg0 密码: dgfd            first release
v0.5.1: 链接: http://pan.baidu.com/s/1sj4iu1R 密码: 83g8

            fix some bugs in script file;
            update netlist;

leishangwen

厉害，学习了，能不能讲一讲设计思路呢？最好发个教程，仅core文件就有4000多行

leishangwen

回复 1# 504472832


    感谢504472832的无私奉献，

kaizige521

楼主能否留下QQ或邮箱

jm2000

高手在民间啊

崖边崖

厉害了，顶起来

cbc007

十分感谢楼主的分享的软件和项目

shixha

牛人...好厉害

ran_newstar

lyuyangly

楼主厉害！