基于DE2的开源片上系统Freedom E310移植

引言：伯克利大学于2014年发布了开源指令集架构RISC-V，其目标是成为指令集架构领域的Linux，应用覆盖IoT（Internet of Things）设备、桌面计算机、高性能计算机等众多领域［1］。RISC-V自发布以来受到多方关注和参与，围绕RISC-V的生态环境逐渐完善，并涌现了众多开源处理器及SoC（System on Chip）采用RISC-V架构，其中Rocket-Chip就是由伯克利大学发布的基于RISC-V的可配置SoC，通过配置不同的参数可以得到不同性能、应用不同场合的SoC。RISC-V的迅速发展还激励其设计人员成立了SiFive公司，专注于定制化SoC设计，其产品线包括如下：

（1）开源处理器核Coreplex IP系列

包括Coreplex U、Coreplex E两个系列。其中Coreplex U系列目前有U5 Coreplex子系列，其是64位RISC-V架构处理器，支持多核、多级缓存、硬件支持的单精度与双精度浮点运算；Coreplex E系列目前有E3 Coreplex子系列，其是32位的RISC-V架构处理器，依据应用环境可配置支持RV32E、乘法、除法、浮点运算等，目标是低功耗的嵌入式控制器。

（2）开源SoC Freedom系列

包括Freedom Unleashed、Freedom Everywhere两个系列。其中Freedom Unleashed系列是基于U5 Coreplex的SoC，包括U500子系列，其外设控制器包括DDR3/DDR4 DRAM 控制器、PCIe 3.0控制器、1Gb Ethernet控制器、USB 3.0控制器等，支持Unix等多种操作系统；Freedom Everywhere系列是基于E3 Coreplex的SoC，包括E300子系列，其具有片上debug单元、平台级中断控制器等，支持FreeRTOS等多种操作系统。

（3）Freedom E310

Freedom E310是Freedom Everywhere的子系列E300的一个流片实例，目标应用场合是微控制器、IoT、可穿戴设备等，其处理器核是E3 Coreplex子系列的一个实例——E31，支持RV32IMAC指令集。其采用180nm工艺成功流片，主频可以达到320MHz以上。

（4）开源开发板HiFive1

HiFive1是第一款采用Freedom E310作为核心控制芯片的Arduino兼容开发板。作为深度开源的代表，其微控制器对应的RTL代码、电路图设计文件、PCB设计文件等完全开源。

SiFive给出的Freedom E310的RTL代码，目前仅支持Xilinx的Arty开发平台，本文在简单介绍Freedom E310的基础上，给出了将其移植到Altera的DE2开发平台的详细步骤。

1 Freedom E310介绍

1.1 Freedom E310的结构设计

Freedom E310的结构设计如图1所示。处于核心的是单发射、顺序执行处理器E31，支持RV32IMAC指令集，具有16K的指令缓存，16K的数据SRAM。

图1 Freedom E310的结构设计

Freedom E310有多个外设，通过TIleLink互连总线将这多个外设连接到处理器。主要外设包括：

l AON（Always-on Domain）：AON的意思就是始终在线，不受处理器核心电源管理的影响，包括实时计数器、看门狗、复位与电源管理等子模块。

l GPIO（General Purpose Input/Output）控制器：通用输入输出，每一个引脚都可以设置输入或者输出，并可以设置是否能够引发中断。Freedom E310的GPIO可以复用，复用为UART、I2C、SPI、PWM等。

l PLIC（Platform-Level Interrupt Control）：平台级中断控制器，用于接受外部的中断信号，然后按照优先级送给处理器，支持52个外部中断源，7个中断优先级。

l Debug Unit：调试单元，支持外部调试器通过标准JTAG接口进行调试，支持2个硬件断点、观察点。

l QSPI（Quad-SPI）：QSPI flash控制器，用于访问flash，可以支持eXecute-In-Place模式。

1.2 地址映射

Freedom E310的地址映射如表1所示。本文移植过程中使用到的主要有复位入口地址、ROM、GPIO。复位入口地址是Freedom E310启动后首先执行的指令，一般是一条转移指令。

1.3 Chisel语言

Freedom E310的大部分代码是采用Chisel（ConstrucTIng Hardware in an Scala Embedded Language）编写的，这也是伯克利大学设计的一种开源的硬件编程语言，是Scala语言的领域特定应用，可以充分利用Scala的优势，将面向对象（object orientaTIon）、函数式编程（funcTIonal programming）、类型参数化（parameterized types）、类型推断（type inference）等概念引入硬件编程语言，从而提供更加强大的硬件开发能力［4］。Chisel除了开源之外，还有一个优势就是使用Chisel编写的硬件电路，可以通过编译得到对应的Verilog设计，还可以得到对应的C++模拟器。本文在移植的过程中，由于Altera的QuartusII综合工具不支持Chisel，所以需要首先得到Freedom E310对应的Ver