项目目标

在你设计的五级流水线 RISC-V 处理器上运行 RT-Thread 实时操作系统！

思考：为什么要运行操作系统？

  • 验证处理器的正确性
  • 测试特权级切换
  • 检验中断处理
  • 体验真实软件运行

项目要求

硬件要求

你的处理器需要支持：

  1. RV32I 基本指令集
    • 算术、逻辑、访存、分支指令
    • 至少通过 riscv-tests
  2. 特权级支持
    • M-mode（机器模式）
    • CSR 寄存器（mstatus, mtvec, mepc, mcause）
    • ecall/mret 指令
  3. 中断支持
    • 定时器中断
    • 外部中断（可选）
  4. 内存映射 
    0x80000000: RAM 起始地址
0x02000000: CLINT（定时器）

问题：你的处理器现在支持这些吗？如果不支持，需要添加什么？

步骤 1：添加 CSR 支持

1.1 CSR 寄存器文件

// CSR 寄存器
reg [31:0] mstatus;   // 机器状态
reg [31:0] mtvec;     // 中断向量基址
reg [31:0] mepc;      // 异常 PC
reg [31:0] mcause;    // 异常原因
reg [31:0] mie;       // 中断使能
reg [31:0] mip;       // 中断挂起

1.2 CSR 读写

// CSRRW: rd = csr; csr = rs1
case (csr_addr)
    12'h300: csr_rdata = mstatus;
    12'h305: csr_rdata = mtvec;
    12'h341: csr_rdata = mepc;
    12'h342: csr_rdata = mcause;
endcase

思考：CSR 指令在哪个阶段执行？会产生数据冒险吗？

步骤 2：实现异常处理

2.1 ecall 指令

当执行 ecall 时：

  1. mepc <= pc（保存返回地址）
  2. mcause <= 11（环境调用）
  3. pc <= mtvec（跳转到中断处理）

2.2 mret 指令

当执行 mret 时：

  1. pc <= mepc（恢复 PC）
  2. 恢复 mstatus 中的中断使能位

问题：这些操作在流水线的哪个阶段完成？需要冲刷流水线吗？

步骤 3：添加定时器中断

3.1 CLINT 模块

// 定时器比较寄存器
reg [63:0] mtimecmp;
reg [63:0] mtime;

always @(posedge clk) begin
    mtime <= mtime + 1;
end

// 产生中断信号
wire timer_irq = (mtime >= mtimecmp);

3.2 中断响应

当 timer_irq 有效且中断使能时：

  1. mepc <= pc
  2. mcause <= 0x80000007（定时器中断）
  3. pc <= mtvec
  4. 关闭中断使能

思考：中断可能在任何时刻发生，如何保证流水线状态的一致性？

步骤 4：移植 RT-Thread

4.1 获取源码

git clone https://github.com/RT-Thread/rt-thread.git
cd rt-thread/bsp/qemu-virt32-riscv

4.2 修改链接脚本

MEMORY
{
    RAM : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 8M
}

SECTIONS
{
    .text : { *(.text) } > RAM
    .data : { *(.data) } > RAM
    .bss  : { *(.bss)  } > RAM
}

4.3 配置 BSP

修改 rtconfig.py：

  • 设置工具链路径
  • 配置内存地址
  • 设置时钟频率

4.4 编译

scons

生成 rtthread.bin 和 rtthread.elf。

步骤 5：仿真测试

5.1 加载程序

initial begin
    $readmemh("rtthread.hex", mem);
end

5.2 观察输出

RT-Thread 启动后会输出：

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.1.0 build Dec 25 2023
 2006 - 2023 Copyright by RT-Thread team
msh >

问题：如果没有输出，可能是什么原因？

步骤 6：上板运行

6.1 生成比特流

在 Vivado 中综合、实现、生成比特流。

6.2 下载到 FPGA

使用 JTAG 下载到开发板。

6.3 串口调试

连接串口，波特率 115200，观察 RT-Thread 启动信息。

调试技巧

常见问题

  1. 程序跑飞
    • 检查 PC 跳转逻辑
    • 验证分支指令
    • 查看异常处理
  2. 中断不响应
    • 检查 mstatus.MIE 位
    • 验证 mie 寄存器
    • 确认中断信号
  3. 访存错误
    • 检查地址对齐
    • 验证内存映射
    • 查看总线信号

思考：如何系统地定位问题？

项目总结

完成这个项目，你将：

  • 掌握完整的处理器设计流程
  • 理解软硬件协同工作
  • 具备调试复杂系统的能力

恭喜你完成 C 级课程！

下一步

继续挑战 B 级和 A 级课程，探索更高级的处理器设计！

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