平头哥（T-Head ）开源RISCV处理器OpenC906 RTL仿真

2023-11-17

在过去的几年里，阿里集团平头哥陆续推出了几款RISCV处理器，有些处理器已经在产业界得到了应用，比如在某志的D1处理器中，就嵌入了平头哥的玄铁C906内核为 “芯”。RISCV虽然是一个开放标准，并且网络上也不乏一些开源核的RTL实现，但是商用的RISCV内核一般都是闭源的。不过令人惊喜的是，在今年十月，平头哥将其设计的四款RISCV内核开源，这其中就包括D1使用的C906核心。

玄铁 C906 是阿里巴巴平头哥半导体有限公司开发的低成本 64 位 RISC-V 架构处理器核,玄铁 C906 基于 64 位 RISC-V 架构,并对 RISC-V 架构进行了扩展增强。扩展增强包括:

1.指令集增强:重点针对内存访问、算术运算、位操作、Cache 操作四个方面进行增强,总计扩展130 条指令。同时,玄铁处理器开发团队在编译器层面对这些指令进行支持,除 Cache 操作指令外这些指令均可编译产生,包括 GCC 和 LLVM 编译.

2.内存模型增强:扩展内存页面属性,支持 Cacheable、Strong order 等页面属性,并在 Linux 内核上进行支持.

玄铁 C906 的主要体系结构参数包括:
RV64IMA[FD]C[V]架构
平头哥指令扩展增强技术
平头哥内存模型增强技术
5 级整型流水线,单发按序执行
128 位的向量计算单元,支持 FP16/FP32/INT8/INT16/INT32 的 SIMD 计算.

C906是RV64位指令集，5 级按序单发射，8KB-64KB L1 Cache支持，不支持L2 Cache,支持半/单/双精度,VIPT四路组联L1数据缓存.

C906框图

开源地址：T-Head Semiconductor Co., Ltd. · GitHub

下面以openC906为例，介绍如何基于开源项目搭建一个处理器内核仿真平台。通过仿真平台可以获得CPU内部时钟级的运行信息，捕捉到程序运行任意时刻的信号，这对于一名系统工程师来讲，意义重大。下面开始。

环境准备

ubuntu18.04
iverilog,vvp,gtkwave工具
平头哥裸机GCC编译器

iverilog(vvp), gtkwave安装：

gcc:

平头哥芯片开放社区(OCC)

我选择的包为：Xuantie-900-gcc-elf-newlib-x86_64-V2.0.3-20210806.tar.gz，下载后解压：

获取RTL代码

git clone https://github.com/T-head-Semi/openc906.git

配置&修改

代码下来，不能直接仿真运行，必须要做一些修改。感觉平头哥在文档方面做得很差劲，比较不注意细节，GITHUB上文档就三言两语，即便为社区做了好事，在一些细节上不注意，也会遭到埋怨。下面就将这些平头哥文档中没有说明，但是必须要解决的问题列举出来。

首先看一下目录结构：

这个目录结构和GITHUB文档中给出的结构有所不同，sdk中缺少smart_run目录下的work目录。

work目录需要手工创建，而文档中并没有说明，这是第一个问题, 没有work目录会导致后面运行make 失败，我们手工创建，创建之后目录列表是下面的样子：

其余问题我们在具体操作步骤中解决。

综合

RTL环境需要在csh中运行，csh有一些不便，比如不支持自动补全等等，不知道为何T-HEAD一定要将配置脚本写为.csh格式。

首先，配置工程路径环境变量，执行以下命令序列：

$ csh
% cd C906_RTL_FACTORY
% source setup/setup.csh

然后将工具链路径替换为真实的编译器路径：openc906/smart_run/setup/example_setup.csh

之后切换到smart_run目录

初始化工具链环境变量:

 % source./smart_run/setup/example_setup.csh

删除之后，再次运行，这次成功：

之后是综合，进入到openc906/smart_run目录，执行make help:

综合的话，执行命令make compile

这个错误，经过请教群友（GITHUB上有钉钉群二维码，扫码加入即可QA），经历过同样的问题的群友分享了解决方案，修改方式如下：将56行的static integer FILE修改为integer FILE.

怀疑这个问题和iverilog的版本有关，在群里得到确认，既然构建系统中指定iverilog为默认的综合工具，在发布之前难道没有验证么？

不管怎样，流程还要继续，再次编译，这次成功执行：

在work目录下，生成了仿真VVP文件

执行 make showcase，查看有哪些用例可以跑：

我们执行其中一个,执行make runcase CASE=coremark,又出错：

这次出错的改法是,拷贝命令添加 -fr 选项：

仍然有错误，看到了/bin/sh提示，想到莫非是shell解释器不对，修改/bin/sh指向bash

重新执行，新问题又来了，不过没关系，兵来将挡，水来土掩，如下图：

可以看到编译过程会以LOG文件的形式被记录下来：coremark_build.case.log

在work目录中果然有同名文件：

我们打开这个文件，看里面有没有记录出错信息，找到最后，一条错误赫然出现在眼前：

Srec2vmem不知道是什么鬼，看名字，猜测它可能是将ELF的BINARY 转换为仿真TB可以加载的数据格式的工具，根据经验，如果它属于SDK中的工具，是由可能下载下来后不带有可执行属性，这也是LINUX的安全策略，我们强制修改其为可执行：

至此，修改的文件包括：

之后再次执行make runcase CASE=coremark DUMP=on

DUMP=on表示我们需要生成VCD文件查看waveform.

Binggo! 错误尽除，VVP执行仿真产生波形VCD文件中，倒上一杯咖啡慢慢等吧！

执行结束后，查看波形：

用GTKWAVE打开波形文件：

CPU内部对你已经毫无秘密可言了，用这种方法分析系统，只要你肯投入，相信没有解决不了的问题。

quartus ii综合仿真

C906是用Verilog开发的，可以用altera的综合仿真工具quartus ii进行布局布线综合仿真，并且得到方框图。

建立综合工程File->New Project Winzard .....解决编译错误，综合仿真，综合成功即可，不用关心布局布线失败，因为我也不清楚目标FPGA应该选择哪个。

上一步成功后，点击菜单Tools->NetList Viewers->RTL Viewer 打开综合方框图即可查看。

要注意，工程的名字要和你想要查看的顶层wrapper的名字相同，比如下图我需要看MMU的顶层结果，就选择对应的aq_mmu_top.v文件的模块aq_mmu_top作为工程名进行综合。

TLB wrapper结构翻译过来如下图,根据THEAD文档描述，C906 MMU采用两级TLB，第一级为uTLB,分别为指令I-uTLB和数据D-uTLB,第二级为jTLB,在处理器reset后，硬件会将uTLB和jTLB的所有表项进行无效化操作，软件无需初始化操作。

I-uTLB有10个全相联表项，每个表项可以混合存储4K，2M和1G三种大小的页面，取址请求命中I-uTLB时，当拍可以得到物理地址和相应权限属性。

D-uTLB有10个全相联表项，可以混合存储4K，2M，1G三种大小的页面，加载和存储请求命中D-uTLB时，当拍可以得到物理地址和相应权限属性。

jTLB为指令和数据共用，两路组相联结果，表项大小为128/256/512可配，可以混合存储4K，2M和1G三种大小的页面，u-TLB缺失，j-TLB命中时，最快3个cycle返回物理地址和相应权限属性。

pmp wrapper 结构

微架构设计点：

官方生成最大取指位宽为128BIT，看代码中取INST实际只有固定的32BIT宽度。

但是前端IPACK到IBUF的数据通路确实是48BIT,IPACK和ICACHE相连，指令最终来源于ICACHE。

总结：

C906默认使用了开源综合工具进行逻辑综合，算是好处理的。另外一个开源RISCV实现芯来的蜂鸟E200就没有那么容易了，需要Xilinx的Vivado将其综合编译为MCS bitstream文件才能运行在FPGA平台上，对于做软件的人来说，就没那么容易了，尤其是大厂的工具都很高级，授权方式尤其高级，别的不说，可能安装Vivado就会被搞得头破血流，能力所限，就不尝试了。下面是芯来的一些资料：

2. Hummingbirdv2 E203 Core — Hummingbirdv2 E203 Core and SoC 0.2.1 documentation

结束

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