基于FPGA平台RISCV架构的SOC应用系统设计2
本系列文章是参加第四届“复微杯”全国大学生电子设计大赛 FPGA 赛道的作品，该平台基于 RISCV，要求在 FPGA 平台可以实现指令执行，设计思路清晰， 具体如下：
- 对所用 RISCV 的内核结构熟悉，了解其数据通路；
- 应用方案完整，设计思路清晰，能够清楚的表达设计的内容以及价值；
- 可以根据硬件上的资源实现片外启动；
- 实现串口通信功能；
- FPGA 平台实现功能；
- 提供完整设计报告及验证报告；
2 SoC简介
2.1 系统结构
tinyriscv是一个采用三级流水线设计，顺序、单发射、单核的32位RISC-V处理器，全部代码都是采用verilog HDL语言编写，核心设计思想是简单、易懂。采用的是三级流水线，即取指、译码和执行，设计的目标就是要对标ARM的Cortex-M3系列处理器。tinyriscv整体框架如图5所示。
图5 tinyriscv整体框架
本次比赛中jtag模块和spi模块没有用到，另外加了一个led指示灯用来表示程序正在运行，每两秒闪烁一次。输入时钟为100MHz，为了与内核时钟50MHz匹配，将100MHz时钟进行二分频。
可见目前tinyriscv已经不仅仅是一个内核了，而是一个小型的SOC，包含一些简单的外设，如timer、uart_tx等。tinyriscv SOC输入输出信号有两部分，一部分是系统时钟clk和复位信号rst，另一部分其他IO口，包括uart下载与调试信号，GPIO，程序状态IO。
| pc_reg：PC寄存器模块 | 用于产生PC寄存器的值，该值会被用作指令存储器的地址信号。 |
|---|---|
| if_id：取指到译码之间的模块 | 用于将指令存储器输出的指令打一拍后送到译码模块。 |
| id：译码模块 | 纯组合逻辑电路，根据if_id模块送进来的指令进行译码。当译码出具体的指令(比如add指令)后，产生是否写寄存器信号，读寄存器信号等。由于寄存器采用的是异步读方式，因此只要送出读寄存器信号后，会马上得到对应的寄存器数据，这个数据会和写寄存器信号一起送到id_ex模块。 |
| id_ex：译码到执行之间的模块 | 用于将是否写寄存器的信号和寄存器数据打一拍后送到执行模块。 |
| ex：执行模块 | 纯组合逻辑电路，根据具体的指令进行相应的操作，比如add指令就执行加法操作等。此外，如果是lw等访存指令的话，则会进行读内存操作，读内存也是采用异步读方式。最后将是否需要写寄存器、写寄存器地址，写寄存器数据信号送给regs模块，将是否需要写内存、写内存地址、写内存数据信号送给rib总线，由总线来分配访问的模块。 |
| div：除法模块 | 采用试商法实现，因此至少需要32个时钟才能完成一次除法操作。 |
| ctrl：控制模块 | 产生暂停流水线、跳转等控制信号。 |
| clint：核心本地中断模块 | 对输入的中断请求信号进行总裁，产生最终的中断信号。 |
| rom：程序存储器模块 | 用于存储程序(bin)文件。地址（0x0000_0000~0x0FFF_FFFF） |
| ram：数据存储器模块 | 用于存储程序中的数据。地址（0x1000_0000~0x1FFF_FFFF） |
| timer：定时器模块 | 用于计时和产生定时中断信号。目前支持RTOS时需要用到该定时器。地址（0x2000_0000~0x2FFF_FFFF） |
| uart_tx：串口发送模块 | 主要用于调试打印。地址（0x3000_0000~0x3FFF_FFFF） |
| gpio：简单的IO口模块 | 主要用于点灯调试。地址（0x4000_0000~0x4FFF_FFFF） |
| RSA：RSA加速模块 | 用于RSA算法的加速。地址（0x5000_0000~0x5FFF_FFFF） |
表2 各个模块作用简介
2.2 简单指令的验证
图6 RISC-V基本指令格式
如图6所示，RISC-V 指令集包含六种基本指令格式，无论是基本指令集或扩展指令集，还是用户自定义的指令，都需要满足这六种基本指令格式。操作码 opcode，规定了不同的指令类型，rd 字段代表目的寄存器的地址，rs1 和 rs2 代表源寄存器的地址，imm代表源操作数之一来自指令的部分字段，即立即数。opcode 和 funct3 的编码并全部未被占用，而是预留大量未被使用的编码，供用户自定义特有的指令，来满足用户个性化需求。
为了充分理解riscv指令如何在tinyriscv内核流通，本案例将用以下C语言代码进行验证的：
int ans = 0;int add = 5;ans = ans + add; 进行编译后，其主函数对应的汇编代码为：
0x194addi1500x0(0)0x198sw150xfec(-20)80x19caddi1500x5(5)0x1a0sw150xfe8(-24)80x1bclw140xfec(-20)80x1c0lw150xfe8(-24)80x1c4add151415 将编译后的二进制文件与编写好的testbench一起仿真，查看tinyriscv内核中关键信号的数值。C语言代码int add = 5;对应两条汇编语句
0x19caddi1500x5(5)0x1a0sw150xfe8(-24)8 当PC指针为0x19c时，执行指令addi 15 0 0x5(5)，该条指令为I类型指令，其数据通路如图7（左）所示，仿真波形如图8（左）所示。
图7 I类型（左）与S类型（右）指令数据通路图
图8 I类型（左）与S指令（右）指令仿真波形
从rom里面取出的数据为0x00500793，转换为二进制如下：
| 数据类型 | 立即数imm | 读寄存器1rs1 | 功能数func3 | 写寄存器rd | 操作码opcode |
|---|---|---|---|---|---|
| 位数 | 31-20 | 19-15 | 14-12 | 11-7 | 6-0 |
| 二进制数据 | 0000_0000_0101 | 00000 | 000 | 01111 | 0010011 |
经过一个时钟沿后传递到译码模块，得到读寄存器1地址为0，读寄存器2无效。从0寄存器里面取出的操作数1是0，操作数2是立即数进行32位无符号扩展的数，为5，写寄存器地址是0xf（15）。经过一个时钟沿将操作数传递给ex模块进行运行，这里是立即数加指令，将两操作数相加，其结果为5，并将该结果写入寄存器中。
取完该指令后，pc指针加4，指向地址0x1a0，执行指令
sw150xfe8(-24)8；即将15寄存器里面的值取出放到8寄存器存放的数值偏移-24的ram地址里面。由于15寄存器里面的值在上一条指令用得到，发生了WAR数据冲突，所以此处流水线暂停一个时钟。S指令数据通路图如7（右）所示，该指令仿真波形如8（右）所示。
从rom里取出数据为0xfef43423，转换成二进制如下：
| 数据类型 | 立即数imm | 读寄存器1rs1 | 读寄存器2Rs2 | 功能数func3 | 写寄存器rd | 操作码opcode |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 位数 | 31-25 | 24-20 | 19-15 | 14-12 | 11-7 | 6-0 |
| 二进制数据 | 1111_111 | 01111 | 01000 | 011 | 010000 | 0100011 |
读寄存器1的值为0x8，取出的值为0x10004000，读寄存器2的值为0xf（15），取出的值为0x5。写寄存器无效。操作数1的值为0x10004000，操作数2为0xffffffe8（-24），在ex模块里，写ram地址为0x10004000+0xffffffe8=0x10003fe8，写数据为0x5.
3 程序设计
3.1 代码设计框图
程序开始运行前，先由python生成两个互为质数的p和q，并写入到C语言中。程序运行后，软件部分先将p和q通过rib总线传入RSA模块的寄存器中，发出计算指令后inverter模块开始根据p、q生成密钥，并保存到RSA模块的寄存器中，软件再从寄存器中读取生成的密钥，根据需要通过串口发送给电脑或者别的移动设备。当需要进行加密时，先将明文传入RSA寄存器中，发出计算指令后mod模块开始根据明文和密钥进行加密，完成后的密文保存到RSA寄存器中，最后软件部分读取密文，并根据需要通过串口发送到电脑或别的移动设备。解密过程与加密过程类似。
本次程序运行过程中实现将需要加密的明文写入软件中，经过加密后再将密文进行解密，通过对比明文与密文是否一致来判断加解密的正确性，其流程图如图9所示。
图9 C语言算法流程图
3.2 程序设计与介绍
主函数程序见附录1，寄存器及宏定义见附录2。其中主函数中的宏定义
#define set_test_pass() asm("li x27, 0x01")#define set_test_fail() asm("li x27, 0x00")用来设置寄存器27的值为1或者0，在仿真时通过读取寄存器27里面的值来判断程序是否运行正确。关键函数如下：
void inverter_init(const char* p,const char* q);char *get_e(char *str);char *encrypt(const char* code, char *str);char *decrypt(const char *str1,char *str2);3.3 函数讲解
对于1024位长度的n，对应的宏定义如下
#define L 255#define L_2 127#define L2 511生成加密密钥函数如下。其中*p、*q为指向p、q数组的指针，p、q互为质数，地址为RSA_INVERTER_STATUS的信号从高电平变到低电平表示开始一次生成密钥过程，开始后地址为RSA_INVETER_FINISH的信号从低电平变为高电平表示生成密钥结束。
void inverter_init(const char* p,const char* q){uint16_t i;for (i=0;i<=L_2;i++)RSA_REG((RSA_P | ((L_2-i)<<8))) = *p++ ;for (i=0;i<=L_2;i++)RSA_REG((RSA_Q | ((L_2-i)<<8))) = *q++ ;RSA_REG(RSA_INVERTER_STATUS) = 1;RSA_REG(RSA_INVERTER_STATUS) = 0;while(!RSA_REG(RSA_INVETER_FINISH));}获得公钥私钥函数如下。生成密钥结束后即可得到公钥e和私钥d。
char *get_e(char *str){uint16_t i;for (i=0;i<=L2;i++)str[i] = (RSA_REG((RSA_E | (L2-i) << 8 )));return str;}对数据code进行加密（解密）函数如下。地址为RSA_ENCRYPT_DECRYPT的信号为高电平表示加密。反之为解密。地址为RSA_MOD_STATUS的信号从高电平变成低电平表示一次加密（解密）过程，地址为RSA_MOD_FINISH的信号从低电平变成高电平表示一次加密（解密）过程结束，最后返回加密后（解密后）的数据。
char *encrypt(const char* code, char *str){uint16_t i;char *str_p = str;i=0;while(*code){RSA_REG((RSA_IN | (i << 8 )))=*code++;i++;}RSA_REG(RSA_ENCRYPT_DECRYPT) = 1;RSA_REG(RSA_MOD_STATUS) = 1;RSA_REG(RSA_MOD_STATUS) = 0;while(!RSA_REG(RSA_MOD_FINISH));for (i=0;i<=L_2;i++)*str_p++ = RSA_REG((RSA_OUT | (i << 8) ));return str;}char *decrypt(const char *str1,char *str2){uint16_t i;char *str2_p = str2;for (i=0;i<=L_2;i++)RSA_REG((RSA_IN | (i << 8) )) = *str1++;RSA_REG(RSA_ENCRYPT_DECRYPT) = 0;RSA_REG(RSA_MOD_STATUS) = 1;RSA_REG(RSA_MOD_STATUS) = 0;while(!RSA_REG(RSA_MOD_FINISH));for (i=0;i<=L_2;i++)*str2_p++ = RSA_REG((RSA_OUT | (i << 8 )));return str2;}