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前言：谢谢您点击阅读本文，本文需要对RISC-V的基本背景知识了解。什么？您还没听说过RISC-V？请参见《David Paterson眼里的处理器架构》和《进入32位时代——谁能成为下一个8051》作为背景了解。
1 开源RISC-V挑花眼了？自从RISC-V架构诞生以来，在全世界范围内已经出现了数十个版本的RISC-V架构处理器，有的是开源免费的，有的是商业公司私有开发用于内部项目的，还有的是商业IP公司开发的RISC-V处理器IP。 由于RISC-V的开源版本太多，使得学习或者准备使用RISC-V的用户有一种乱花渐欲迷人眼的感觉。选择多了，真是挑花眼，反而不知从何下手了。 2 谁说国内没有RISC-V开源核？由于众多RISC-V版本中基本上看不到国内版本的身影，有说法称国内没有RISC-V的贡献者和开源核，笔者深表情何以堪，谁说国内没有RISC-V开源处理器核和贡献者，快来一起认识蜂鸟E200吧。
蜂鸟E200开源项目的源代码托管于Github网站: https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource，后文以“e200_opensource项目”简称该网址。蜂鸟是世界上最小的鸟类，其体积虽小却有着极高的速度与敏锐度，可以说是世界上“能效比”最高的鸟类。E200系列以蜂鸟命名便寓意于此，旨在将其打造成为一款世界上最高能效比的RISCV处理器。
蜂鸟E200的开源口号是：让免费的蜂鸟E200成为中国的下一个8051，为中国IoT领域的发展助力提速。
3 想要专业水准的开源核？蜂鸟E200主要面向极低功耗与极小面积的场景而设计，非常适合于替代传统的8051内核或者Cortex-M系列内核应用于IoT或其他低功耗场景。E200系列处理器核采用2级流水线结构，通过一流的处理器架构设计。该CPU核的功耗与面积均不逊于同级ARM Cortex-M核，实现业界最高的能效比与最低的成本。
蜂鸟E200作为结构精简的处理器核，可谓“蜂鸟虽小、五脏俱全”，源代码全部开源，文档翔实，非常适合作为大中专院校师生学习RISC-V处理器设计（使用Verilog语言）的教学或自学案例。 蜂鸟E200系列处理器的系统示意图如图1所示。其提供丰富的存储和接口，包括： 私有的ITCM（指令紧耦合存储）与DTCM（数据紧耦合存储），实现指令与数据的分离存储同时提高性能。 中断接口用于与SoC级别的中断控制器连接。 调试接口用于与SoC级别的JTAG调试器连接。 系统总线接口，用于访存指令或者数据。可以将系统主总线接到此接口上，E200可以通过该总线访问总线上挂载的片上或者片外存储模块。 紧耦合的私有外设接口，用于访存数据。可以将系统中的私有外设直接接到此接口上，使得E200无需经过与数据和指令共享的总线便可访问这些外设。 紧耦合的快速IO接口，用于访存数据。可以将系统中的快速IO模块直接接到此接口上，使得E200无需经过与数据和指令共享的总线便可访问这些模块。 所有的ITCM、DTCM、系统总线接口、私有外设接口以及快速IO接口均可以配置地址区间。
图1
蜂鸟E200处理器系统示意图 蜂鸟E200是一个处理器系列，包含了多款不同的具体处理器型号，所有的E200系列Core均支持协处理器接口可用于自定义扩展指令。 E201 Core是面积最小的Core，可以配置为RV32IC或者RV32EC架构，不支持其他的扩展指令子集。 E203 Core可以配置为RV32IMAC或者RV32EMAC架构，使用面积优化的多周期硬件乘除法单元。 E205 Core为RV32IMAC架构，使用单周期的硬件乘法单元和多周期的硬件除法单元。
注意：目前蜂鸟E200系列中开源的处理器型号为E203。 4 担心性能指标不行？蜂鸟E200处理器核的功耗与面积以及性能参数非常的有竞争力，蜂鸟E203核的功耗面积和性能比ARM的Cortex M0+处理器核（M0+ 是ARM最小面积的处理器核）更好，蜂鸟E205核的功耗面积和性能比Cortex M3处理器核更好。 5 抱怨没有配套SoC？很多开源的处理器核仅提供Core的实现，为了使其能够被完整使用起来，用户需要花费不少精力来构建完整的SoC平台、FPGA平台。为了方便用户快速地上手使用，蜂鸟E200不仅开源了自主设计的Core，还开源配套了完整的SoC平台，如图2所示。 用户可按照e200_opensource项目的doc文档中所描述之步骤便可快速搭建完整的SoC仿真平台和FPGA原型平台。可以说，蜂鸟E200开源的不仅是一个处理器核，而是一个完整MCU SoC平台。
图2 E200系列处理器配套SoC结构图 6 要是可配置就好了？蜂鸟E200系列中的每款处理器均有一定的可配置性。以开源的蜂鸟E203核为例，用户可以通过修改其RTL目录下的config.v文件中的宏定义便可以实现不同的配置。 7 会不会没有文档介绍？很多开源的处理器核确实面临文档匮乏的问题，为了方便用户学习和使用，e200_opensource项目下的doc目录中放置了翔实的文档介绍。 8 能不能运行软件以眼见为实？大多数开源的内核只是一堆RTL的代码而无法真实的运行软件以给用户直观的感觉。就像画龙点睛一样，只有当软件程序真正运行于处理器上面之时，才意味着此处理器真的“活”了。 蜂鸟E200提供完整的软件开发环境，用户可按照e200_opensource项目的doc文档中所描述之步骤便可在编译示例程序，通过在线仿真器（JTAG下载器）将示例程序下载至FPGA原型系统中，并且运行该程序，可以观察printf函数输出的信息打印至桌面PC的串口助手界面，能够直观的感受到程序真的运行了起来。 9 能不能支持GDB调试器？交互调试（Interactive Debug）功能是处理器提供的最常见的一种调试功能，从最低端的处理器到最高端的处理器，交互调试几乎是必备的功能。交互调试是指调试器软件（譬如常见的调试软件GDB）能够直接的对处理器取得控制权，进而对其以一种交互的方式进行调试，譬如：下载或者启动程序、单步执、通过设置断点来停止程序、查看处理器的运行状态。包括通用寄存器的值，存储器地址的值等。 目前绝大多数开源处理器仅提供处理器核的实现，并没有提供调试方案的实现，很少有开源处理器能够支持完整的GDB交互调试功能。蜂鸟E200不仅开源了处理器核的实现、SoC实现、FPGA平台和软件示例，还实现了完整的调试方案且开源，具备完整的GDB交互调试功能。因此，可以说是从硬件到软件、从模块到SoC、从运行到调试的一套完整解决方案。 用户可按照e200_opensource项目的doc文档中所描述之步骤便可在FPGA原型上运行示例程序，并且使用GDB软件对其进行远程交互式调试。 10 要是有Windows开发工具就好了？虽然笔者比较钟情于Linux系统的工程开发，但是对于广大Windows的使用用户而言，要是有Windows IDE开发工具那就太好了。别着急，蜂鸟E200也支持，如图3所示。
图3 Windows IDE开发工具和FPGA原型开发板 11 要是有书籍系统学习就好了？如果有一本书系统深入的剖析一款开源RISC-V处理器，对于初学者和爱好者而言将大有裨益，对于使用此核的工程用户而言将更加透明可控。因此，为了推广RISC-V在国内的普及，蜂鸟E200的开发者编写了一本中文书籍对其进行详细的讲解和说明。 该书籍《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器》将是国内第一本系统介绍RISC-V架构的中文书籍，如图4所示，将于2018年3~4月上市。
图4 RISC-V处理器中文书（将于2018年3~4月上市） 该书以循序渐进的方式组织方式分为四部分： 第一部分的章节主要介绍CPU与RISC-V的综述，该部分将介绍CPU和指令集的一些基础背景知识、RISC-V架构的诞生和特点，通过该部分的学习，对于CPU和RISC-V毫无了解的初学者也可以对CPU和RISC-V快速地建立起系统的认识。
第二部分的章节主要讲解如何使用Verilog设计CPU，该部分将对蜂鸟E203 RISC-V处理器核的微架构和源代码进行深入浅出的剖析和讲解，通过该部分的学习，读者将掌握处理器核的设计精髓。 第三部分的章节主要对蜂鸟E200配套的SoC和软件平台进行介绍，通过该部分的学习，犹如画龙点睛一般，读者可以让蜂鸟E203在FPGA原型平台上真正的运行“活”起来。 第四部分是附录部分，该部分将对RISC-V指令集架构进行系统而详细的介绍，在此部分中，作者加入了大量的背景知识解读以及个人注解，使得枯燥的指令集架构细节变得非常容易理解，将非常利于读者快速入门了解RISC-V架构。
12 结语如本文标题所述，面对新兴的RISC-V指令集，国内也有开源的贡献者，蜂鸟E200就是很好的例子，随着大家对RISC-V热情的逐步提高，相信国内会有越来越多的RISC-V开源处理器核涌现出来。 虽然相比国外知名的各种RISC-V处理器版本而言，蜂鸟E200系列显得低调很多，但是其质量水平和技术指标在全球范围内同级别的RISC-V处理器核中都属于翘楚水平，难能可贵的是其对于全套工具链的移植支持和SoC原型平台更是具备相当的完备性，是一款非常优秀的开源RISC-V开源处理器内核。 蜂鸟E200已经在专业圈内拥有了相当多使用者，包括用于产业界的不同公司项目，个人爱好者研究以及高校教学示例，蜂鸟开发者还将相关使用用户组成了微信交流群，感兴趣的读者可以通过文末公众号与开发者取得联系加群。 更多信息感兴趣的读者可以通过下面二维码关注公众号“硅农亚历山大”，了解Verilog、IC设计、CPU、RISC-V和人工智能AI相关的更多设计技巧和经验分享，注意：由于干货太多，请自备茶水。
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发表于 2018-2-26 20:53:16
