README.md · FPGA-Lab/JURV-open

# openJURV

### 介绍
RISC-V CPU 实验资源。

配套指导书阅读网址：[https://jurv-open.pages.dev/](https://jurv-open.pages.dev/)
或[https://fpgaxlab.github.io/jurv-open/](https://fpgaxlab.github.io/jurv-open/)。
（注：2024年5月Gitee Pages暂停服务之前发布在 http://fpga-lab.gitee.io/jurv-open）。

授课视频见中国大学MOOC(慕课)开放课程《计算机组成与CPU设计实验》（肖铁军 赵蕙），实验环境使用[FPGA实验云平台](http://welab.ujs.edu.cn/new/)。

### 文件组织结构
实验资源可以分为三大版块
  - 硬件描述语言和数字逻辑电路实验
  - 计算机组成原理实验
  - RISC-V CPU设计实验

每一版块所对应的文件夹和慕课单元如下。

| 版块 |文件夹| 慕课单元
|:----:|:----:|:----:
|实验环境| L00~L02 | 01~02
|硬件描述语言| L11~L19 | 11~16
|计算机组成原理实验| L21~L29 | 21~27
|RISC-V CPU设计实验| RV01~RV27PL | 31~38

### 实验项目列表

| 文件夹 | 实验项目名称 
| :----: |:----
| L00 | 工程框架 
| L01 | 熟悉设计工具
| L02 | 认识虚拟实验
| L11 | 三态门和多路器
| L12 | 译码器
| L13 | 寄存器堆
| L14 | 流水灯与移位寄存器
| L15 | 计数器和分频器
| L16 | 彩灯控制器
| L21 | 加减运算电路
| L22 | 算术逻辑单元
| L33 | 数据通路
| L24 | 存储器
| L25 | 控制器
| L26 | RISC-V汇编语言
| L27 | RISC-V微架构

CPU部分的文件夹命名与支持的指令数量有关，见下表。

| 文件夹 | 描述 | 新增指令数 | 支持的指令数 |
| :----  |:----|:----:|:----:|
|RV-01   | 实现addi指令| 1 | 1|
|RV-15   | 实现整数运算指令|  14| 15|
|RV-17   | 实现访存指令| 2 | 17 |
|RV-23   | 实现分支指令| 6 | 23 |
|RV-23PL | 实现简单流水线|  | 23 |
|RV-27   | 支持27条指令 | 4 | 27 |
|RV-27PL | 解决流水线数据冲突 |   | 27 |
|RV-37   | 访存6条，SLT 4条| 10 | 37 |

### 关于实验环境
支持团队致力于提供跨平台的软硬件实验环境。这里的“跨平台”有两方面含义，一是实验软件同时支持线上和线下方式，二是实验硬件同时支持两大主流FPGA厂商的芯片。

线上实验基于FPGA实验云，提供以云端真实实验板为基础的虚拟实验环境。线下实验基于 Windows 版的虚拟实验软件，通过USB适配器与多种实验板、开发板连接。

云端实验板的FPGA芯片采用的是 Intel / Altera 芯片，实验平台支持线下 Quartus 编译上传电路文件，同时也提供了**云端编译**，支持平台无关的硬件设计。

线下实验通过特制的USB调试适配器可以适配 Intel/Altera 和 AMD/Xilinx 两大主流FPGA厂商的芯片和开发板，并且实验软件与线上环境有着相似的操作方式。所有实验项目中的范例充分考虑了可移植性，无需修改均可在 Quartus 和 Vivado 两种设计环境下编译通过。

跨平台的软硬件实验环境为实验教学提供了灵活的实施方式。既可以以线上方式为主，也可以以线下为主，还可以采用线上、线下混合的方式，比如线下实验室使用 Altera 或 Xilinx 的开发板，线上完成慕课的预习和实验云平台的实验任务。

### 学习建议

- 硬件描述语言

如果已经有Verilog/SystemVerilog（以下简称Verilog）基础，这部分可以快速浏览跳过。如果没有Verilog基础但已经熟练掌握VHDL，本课程的所有实验也都可以用VHDL完成，“01 熟悉设计工具”中也给出了VHDL的代码模板；但是后面所有实验的范例只有Verilog的代码，实验指导和视频讲解也只是针对Verilog。

- 计算机组成原理实验

这部分的实验内容和后面CPU设计实验内容有一部分交叉，“数据通路实验”、“硬布线控制器实验”和“RISC-V微架构实验”可以不做。对于偏软的专业，如果不做后面的RISC-V CPU设计实验，可以选择这几个实验作为初步的CPU设计，也可以选择CPU实验部分的开头两个实验。

另外，不像其他实验项目之间有前后的依赖关系，“RISC-V汇编语言实验”和“存储器实验”这两个项目相对独立，顺序可以在这部分中前后调整。

- RISC-V CPU设计实验

这部分实验又可以分为三个层次。

- 基本层次。完成23条指令的单周期 RISC-V 以及初步的流水线设计。这23条指令分3个项目完成：整数运算指令、存储器访问指令和分支指令，每个项目的指导都给出了具体的数据通路。所谓“初步的流水线设计”，是指硬件不处理相关和冲突的流水线。
  - 常规层次。这个层次完成27条指令的单周期 RISC-V 以及流水线设计。虽然只增加了4条指令，但需要更复杂的数据通路。通过基本层次的训练，已经很好地理解了指令和数据通路的关系，所以这个层次需要学员自己设计数据通路。而流水线的设计，也需要用硬件处理数据冲突和控制冲突。
  - 提高层次。如果学有余力，可以在以下几个方面扩展。
    - 实现中断接口（基本层次中包含了简单输入输出接口）；
    - 实现分支预测；
    - 支持37条指令；
    - ......

### 许可 | License

[CC-BY-NC-SA：署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议](https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.zh)

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