RISC-V 硬件设计常见问题及解答（1）

1.RISC-V CPU的硬件设计常见问题

RISC-V教学教案

本文列出了一些RISC-V CPU的硬件设计常见问题及解答。

1.1.GPIO如何与外设信息交流？UART如何与存储器交流？

GPIO是众多外设的一个，UART也是外设。I2C， SPI ，PWM ，千兆网等模块也是经常用到的外设，由于当前CPU V2.01中没有讲到总线结构，因此这些外设模块包括GPIO，计时器中断都在LSU中实现的，之后都会被挂到总线上，由其仲裁，模块之间会分开来。总线结构的设计如图1所示，可以看到所有的外设模块都是通过总线与LSU连接。

图1 RISC-V CPU总线设计

使用UART与程序空间交互，使调试更加方便(V2.01版本的CPU没有JTAG调试模块)。这里的UART算是特殊用法。一般写程序，程序编译成机器码的过程都是在计算机完成的，UART将编译好的机器码搬到开发板上去，作为桥梁，把程序下载到CPU存储器中，让CPU跑起来。

1.2.程序空间除了放置程序，还可以放置哪些信息？

程序空间除了放置程序，还可以放置数据，详情可以见RISC-V C语言编程1（3）链接器linker script中如何将数据和代码段放到相应的位置上。在RUN_UART 的测试程序中有关于字符串在汇编语言编程中的使用：

LUI a5, %hi(msg)//将字符串所在的地址的高位放进a5
ADDI a0, a5, %lo(msg)//将完整的字符串地址放进a0寄存器(低位加高位)
.

.

.
.section .rodata//section为关键字，ro表示read only，定义成只可读的数据端，在链接器脚本文件中被放到ITCM
msg:
.string "This is a call function program. \n"//定义字符串，ASCII表的一个字母/数字/符号都是一个字节(8 bit)

反汇编中该字符串的位置：

Contents of section .rodata:
 80000078 54686973 20697320 61206361 6c6c2066  This is a call f
 80000088 756e6374 696f6e20 70726f67 72616d2e  unction program.
 80000098 200a00                                ..

1.3.存储在CPU里的程序是不是反汇编后的指令代码？

CPU中存储的不是反汇编后的代码，而是机器码。也就是汇编语言程序经过编译后形成的机器编码，其格式是2进制的32-bit 代码。正常编写代码的过程是写汇编指令/C语言，编译器和/或汇编器将其编译成机器码。而反汇编是将生成的机器码反向翻译成汇编指令。

1.4.`ifdef SIM等宏的定义在哪里？

`ifdef SIM宏的定义放在在如图2所示的位置：

图2 `ifdef SIM宏

它的定义主要用于仿真，因为在实际硬件中，可能会有一些延迟，在这个宏中可以定义仿真的延迟，比如在每个触发器D端到Q端加上1 ns的延时，使其更符合真实情况。

1.5.LSU中分配的空间是系统内存吗？还是程序运行空间？

LSU理论上可以访问32-bit的任何空间，这里可以理解为存储器和外设。关于系统内存的概念，在计算机系统中是和硬盘相对的。一般来说，硬盘在断电后仍然能存储数据，但是速度很慢，而内存的速度非常快。CPU中有很多程序是不能在硬盘上运行的，所以在系统上电后，一般将硬盘里的内容加载到内存上运行。

这里再复习一下冯诺依曼和哈弗结构的概念(详情点击这里)。对冯诺依曼架构而言，数据空间和指令空间都是放到一起，只有一个PC，访问所有的地址。也就是说在访问数据时，无法同时再用PC去推进指令；哈佛结构是指数据空间和指令空间分开，分别用D_PC和I_PC来访问独立的空间。这里实现的RISC-V CPU，在地址上将指令空间和数据空间排在一起，但是访问的指针是不同的，如图3(详情见地址图)，基本上为哈佛结构，也就是说，一般情况下，I_PC只访问指令，而D_PC访问数据和外设。