基于RISC-V的芯片设计仿真开题报告

1. 研究目的与意义

芯片，是整个电子信息产业的基石。目前，全球半导体市场规模达 3200 亿美元，全球54%的芯片都出口到了中国，但国产芯片的市场份额只占10%。中国芯片产业每年进口需要消耗2000多亿美元外汇，超过了石油和大宗商品，在进口商品中占有相当大的比重。

由于寡头的排他效应，众多的国产处理器体系结构走向消亡，国产的商用 CPU也无法足够成功，从而造成了CPU 设计这项工作变成了极少数国外商业公司的摇钱树，同时国内因为国外的垄断以及巨大先发优势等原因，长期没有形成有足够影响力的相关产业与商业公司。

CPU作为芯片的“心脏”，可谓“芯中之心”，国内的产业实力在此方面一直比较薄弱CPU实现国产自主化对我国的发展至关重要,但是CPU的主流指令集架构(警如x86和ARM)一直为国外公司所垄断，国内公司需要支付高昂的专利费用且受制于人。CPU作为一种特殊的芯片，其要求指令集架构具有普世的通用性且能够共享生态系统，因此囿于一国范围内发明一套封闭的指令集并不具备实用性，必须走与世界主流架构接轨的道路。在这种背景下,开放的RISC-V 架构一方面具有一定的开源性质，一方面也是优秀的主流架构，虽然目前应用较少，但是其具有给优异的性能和功耗控制。RISC-V中国CPU 芯片产业的发展带来了巨大的战略机遇，有希望彻底实现CPU的国产自主化和架构主流化。

2. 课题关键问题和重难点

本课题进行risc-v架构的芯片设计，主要的需要解决的问题有芯片本身的指令集选择，以及如何学习指令集，因为资料大部分都是英文所以具有一定的阅读和理解难度。同时虽然risc-v相关的开源资源虽然较多，但是学习的门槛较高，需要花费较多时间进行资料筛选和学习。

在进行指令集选择后，需要对流水线架构进行学习和了解，并且需要对于流水线的每一级进行了解并且对于了解如何才能写出高效有用的代码，并且规避一定的风险和错误。尽可能减少后续验证时的负担。

在进行fpga硬件级别验证的时候，需要使用platformioide对于对项目进行编译，需要学习较多关于该软件的知识。以及在进行逻辑综合、静态时序分析、形式验证、自动布局布线这些学习的过程中，需要使用较多软件，可能需要使用linux更方便进行验证和自动布线等操作。目前主要对于逻辑综合和静态时序分析较为熟练，其他需要多加学习。

3. 国内外研究现状（文献综述）

三、文献综述

现有体系结构往往缺乏开放性,存在许多知识产权、政治干预等非技术性问题.例如,intel 公司持有 x86 架构的专利(1978 年开始),使用 x86 指令集相关技术需要向其支付高昂的授权费用,对 x86 指令集的模拟也将引发法律上的争议.这种封闭的态势与体系结构发展的开放趋势背道而驰,抬高了系统研发与成果转化的成本,阻碍了技术的推广和进步.risc-v 具有开源、免费、开放、自由的特点

现有体系结构经过长期发展,多个版本的迭代,积累了许多历史遗留问题.基于各历史版本的技术产品在市场生态中共存,使得新版本的研发必须考虑向后兼容性,去支持一些过时的定义和其实不需要的技术特性.这种积重难返的状态削弱了现有体系结构的可定制化能力,难以满足现代信息系统对于多样化的工作环境与功能表现的需求.risc-v 作为一种从零开始设计的新体系结构,吸收了现有各体系结构优点的同时,去除了对历史遗留问题的顾及和旧有技术的依赖;进一步地,risc-v 采用模块化设计,并提供大量自定义编码空间以支持对指令集的扩展,从而允许开发者根据资源、能耗、权限、实时性等不同需求,基于部分特定的模块和扩展指令集进行精细化的系统设计研发,体现了强大的系统可定制化能力。因为risc-v起步较晚，其设计结构对于架构进行了充分的优化，在达成相同性能的情况下，其占用面积更小，且功耗更低。目前国内开发的处理器有蜂鸟 e203 等，在与 arm的cotex-m0 处理器进行比较中。性能丝毫不落下风，且占用面积更小，功耗更低。

4. 研究方案

四、方案（设计方案、研制方案、研究方案）设计及论证1.首先需要对risc-v指令集进行了解和选择，在对于指令集进行比较后计划采用rv32i指令集进行cpu的设计，该指令集较为简单，上手难度较小。

该指令集一共具有47个指令。

能够满足现代操作系统运行的基本要求，这47条指令按照功能可以分为如下几类：① 整数运算指令，实现算术、逻辑、比较等运算。

5. 工作计划

五、工作计划2023.1.11-2023.2.3：参考搜索到的资料，能够完整理解和阅读别人的代码，并且能够理解整体如何设计芯片。

同时对于前期能够避免的错误进行了解，防止写出来的程序不能通过验证，需要反复修改。

2023.2.4-2023.2.28：基本完成芯片的软件设计，购入fpga开发板对于软件设计的硬件功能进行简单的验证，确保可以实现预期功能。