oscpu-framework

这是一个基于verilator的RISC-VCPU开发仿真框架。

开发前请在myinfo.txt文件中填写报名一生一芯时的学号和自己的姓名。例如：

ID=202100001
Name=张三

开发环境

操作系统：Linux Ubuntu v20.04

开发软件：verilator、gtkwave、mill

可以使用下面的命令一键安装搭建开发环境。

# 选择使用verilog语言开发
wget https://gitee.com/oscpu/oscpu-env-setup/raw/master/oscpu-env-setup.sh && chmod +x oscpu-env-setup.sh && ./oscpu-env-setup.sh -g && rm oscpu-env-setup.sh
# 选择使用chisel语言开发
wget https://gitee.com/oscpu/oscpu-env-setup/raw/master/oscpu-env-setup.sh && chmod +x oscpu-env-setup.sh && ./oscpu-env-setup.sh -g -c && rm oscpu-env-setup.sh

获取代码

# 从gitee上克隆代码
git clone --recursive -b 2021 https://gitee.com/oscpu/oscpu-framework.git oscpu
# 从github上克隆代码
git clone --recursive -b 2021 https://github.com/OSCPU/oscpu-framework.git oscpu

如果子仓库克隆失败，可在oscpu目录下使用下面的命令重新克隆子仓库。

git submodule update --init --recursive

参与一生一芯还需要设置git信息。

# 使用你的编号和姓名拼音代替双引号中内容
git config --global user.name "2021000001-Zhang San"
# 使用你的邮箱代替双引号中内容
git config --global user.email "[email protected]"

例程

projects目录用于存放工程文件夹，projects目录下的几个例程可用于了解如何基于verilator和香山difftest框架来开发仿真CPU。你可以在该目录下创建自己的工程。工程目录结构如下：

.
├── build.sc		# 存放chisel编译信息的文件，选择chisel语言时需要该文件
├── csrc			# 存放仿真c++源码的文件夹，接入香山difftest框架时不需要该文件夹
├── src				# 存放chisel源码的文件夹，选择chisel语言时需要该文件夹
└── vsrc			# 存放verilog源码的文件夹，选择verilog语言时需要该文件夹

我们提供了脚本build.sh用于自动化编译、仿真和查看波形。下面是build.sh的参数说明，也可在oscpu目录下使用./build.sh -h命令查看帮助。

-e 指定一个例程作为工程目录，如果不指定，将使用"cpu"目录作为工程目录
-b 编译工程，编译后会在工程目录下生成"build"(difftest)或"build_test"子目录，里面存放编译后生成的文件
-t 指定verilog顶层文件名，如果不指定，将使用"top.v" 或"SimTop.v"(difftest)作为顶层文件名，该选项在接入difftest时无效
-s 运行仿真程序，即"build/emu"程序，运行时工作目录为"build"(difftest)或"build_test"子目录
-a 传入仿真程序的参数，比如：-a "1 2 3 ......"，多个参数需要使用双引号
-f 传入c++编译器的参数，比如：-f "-DGLOBAL_DEFINE=1 -ggdb3"，多个参数需要使用双引号，该选项在接入difftest时无效
-l 传入c++链接器的参数，比如：-l "-ldl -lm"，多个参数需要使用双引号，该选项在接入difftest时无效
-g 使用gdb调试仿真程序，该选项在接入difftest时无效
-w 使用gtkwave打开工作目录下修改时间最新的.vcd波形文件
-c 删除工程目录下编译生成的"build"文件夹
-d 接入香山difftest框架
-m 传入difftest框架makefile的参数，比如：-m "EMU_TRACE=1 EMU_THREADS=4"，多个参数需要使用双引号
-r 使用给定的测试用例集合进行回归测试，比如：-r "case1 case2"，该选项要求工程能够接入difftest

编译和仿真

counter

examples/counter目录下存放了4位计数器的例程源码。可以使用下面的命令编译和仿真。

./build.sh -e counter -b -s

如果verilator安装正确，你会看到下面的输出

Simulating...
Enabling waves ...
Enter the test cycle:

输入测试周期数后仿真程序退出，并在projects/counter/build_test/路径下生成.vcd波形文件。

cpu

projects/cpu目录下存放了verilog版本单周期RISC-VCPU例程源码，源码实现了RV64I指令addi。可以使用下面的命令编译和仿真。

./build.sh -b -t rvcpu.v -s

输入inst.bin和回车后程序结束运行，并在projects/cpu/build_test/路径下生成.vcd波形文件。其中inst.bin为bin目录下的一个RISC-V测试程序，里面存放了3条addi指令。

cpu_diff

projects/cpu_diff目录下存放了接入香山difftest框架的verilog版本单周期RISC-V CPU例程源码，源码实现了RV64I指令addi。关于香山difftest框架的详细介绍，可参考讲座-Difftest 处理器验证方法介绍，接口说明可参考difftest_api.md和chisel_difftest.md。可以使用下面的命令编译和仿真。

# 编译仿真
./build.sh -e cpu_diff -d -b -s -a "-i inst_diff.bin"
# 编译仿真，并从CPU上报至difftest的时钟周期0开始输出波形
./build.sh -e cpu_diff -d -b -s -a "-i inst_diff.bin --dump-wave -b 0" -m "EMU_TRACE=1"

仿真程序运行后，终端将打印绿色的提示内容HIT GOOD TRAP at pc = 0x8000000c。说明程序运行到自定义的0x6b指令，并且此时存放错误码的a0寄存器的值为0，即程序按照预期结果成功退出。关于0x6b自定义指令作用，可参考讲座-AM运行环境介绍。如果指定输出波形，将在projects/cpu_diff/build/路径下生成.vcd波形文件。

cpu_axi_diff

projects/cpu_diff目录下存放了通过AXI总线接入香山difftest框架的verilog版本单周期RISC-VCPU例程源码，源码实现了RV64I指令addi和AXI总线读逻辑。可以使用下面的命令编译和仿真。

./build.sh -e cpu_axi_diff -d -s -a "-i inst_diff.bin --dump-wave -b 0" -m "EMU_TRACE=1 WITH_DRAMSIM3=1" -b

chisel_cpu_diff

projects/cpu_diff目录下存放了接入香山difftest框架的chisel版本单周期RISC-V CPU例程源码，源码实现了RV64I指令addi。可以使用下面的命令编译和仿真。

./build.sh -e chisel_cpu_diff -d -s -a "-i inst_diff.bin" -m "EMU_TRACE=1" -b

soc

projects/soc目录下存放了接入ysyxSoC的示例程序。源码中只有一个占位符，能够通过编译但不能正常运行。

要使用该框架，需要先按照 ysyx SoC 的 readme 完成 命名规范 和 CPU 内部修改 两个步骤，得到 ysyx_21xxxx.v，随后放入 projects/soc/vsrc/ 中。此后，执行下面的命令将会根据 myinfo.txt 中的 ID 自动 对代码进行规范检查、集成到 soc 并运行指定的程序。ysyxSoC 中附带的例程会被自动软连接至 build 目录下，仿真时可以快速使用。

./build.sh -e soc -b -s -y -v '--timescale "1ns/1ns" -Wno-fatal --trace' -a "-i ysyxSoC/flash/hello-flash.bin --dump-wave"

由于无法直接使用 difftest 框架，暂时只支持少量参数。

$ ./emu -h
Usage: ./emu [OPTION...]

  -i, --image=FILE           run with this image file
      --dump-wave            dump waveform when log is enabled
  -b, --log-begin=NUM        display log from NUM th cycle
  -e, --log-end=NUM          stop display log at NUM th cycle
  -h, --help                 print program help info

查看波形

在oscpu目录下使用命令可以通过gtkwave查看输出的波形，其中xxx表示例程名。

# 未接入difftest
./build.sh -e xxx -w
# 接入difftest
./build.sh -e xxx -d -w

测试用例

bin目录下存放了一生一芯基础任务需要使用的测试用例，具体说明详见一生一芯基础任务测试用例说明。

回归测试

一键回归测试用于自动化测试给定的测试用例集合，可以通过以下命令对CPU进行一键回归测试。该命令会将bin目录下指定子目录中所有.bin文件作为参数来调用接入了香山difftest框架的仿真程序，其中xxx表示例程名。

# 未接入AXI总线的情况下使用"non-output/cpu-tests"和"non-output/riscv-tests"目录下的bin进行回归测试
./build.sh -e xxx -b -r "non-output/cpu-tests non-output/riscv-tests"
# 接入AXI总线的情况下使用"non-output/cpu-tests"和"non-output/riscv-tests"目录下的bin进行回归测试
./build.sh -e xxx -b -r "non-output/cpu-tests non-output/riscv-tests" -m "WITH_DRAMSIM3=1"

通过测试的用例，将打印PASS。测试失败的用例，打印FAIL并生成对应的log文件，可以查看log文件来调试，也可以另外开启波形输出来调试。

程序上传

在本框架中接入ysyxSoC 并完成所有测试后，可以开始代码上传流程。上传前请确保所有触发器可复位。

1. 创建自己的开源git仓库，不局限于github。
2. 将Verilator中Warning无法清理说明.xlsx文件放置于submit目录下。
3. 制作一份带数据流向的处理器架构图，并对图中各模块做简单说明，整理成ysyx_21xxxx.v.pdf文件并放置于submit目录下。
4. 进入oscpu目录下，运行./submit.sh，根据提示完成代码上传操作。
5. 将自己仓库的URL发送给组内助教。

扩展

一生一芯官网

会议汇总

讲座回放

RISC-V Unprivileged Spec

RISC-V Privileged Spec

cpu-tests

riscv-tests

香山difftest框架

NEMU

DRAMsim3

AXI4 specification