18:57 2024/5/11  

## CPU 设计

从写下第一行 `Hello, World` 代码、点亮第一个 LED 开始，陆续接触了 51、AVR、ARM Cortex-M/A、RISC-V 多种处理器架构，使用过诸如 8051、Arduino、MSP430、STM32、GD32、i.MX6ULL、ESP 等一系列的芯片，不敢自诩精通，但也略知一二  

早在 2018 年的时候，萌生了一个设计 MCU 的想法，以演示计算机体系结构和单片机原理中大部分的内容，加上对 FPGA 和数字电路的理解，计划在未来的某一天去真正的实现  

因为种种原因，这个计划被搁置。直到 2020 年，国科大的几个本科生在包云岗老师的带领下，使用 Chisel 语言设计了一款基于 RV64 的单发射处理器，并成功流片，并在流片后的处理器上成功运行了 Linux 和 RT-Thread，让我开始重新考虑这项工作  

但是 NutShell 使用 Chisel 语言编写（一种基于 Scala 函数式编程语言扩展的硬件模块化设计语言），生成的 Verilog 代码可读性差，用来做架构设计和功能验证或许是不错的选择  

*注：以上仅是个人的见解，并且个人没有大型 CPU 的设计经历，因此对 Chisel 的评价只是从个人的喜好和体验出发*  

*注：截至 2024 年，香山系列处理器已经成功迭代了多个版本，其中 "雁栖湖" 架构正逐渐向 ARM 的 A76 对齐，并且 ML、DL 的发展，或许某一天 Chisel 会成为 Hardware Design 的主流选择*  

最终决定使用 Verilog 编写一个 **5 级流水线顺序单发射** 处理器  

- 支持在 Windows、Linux 平台进行仿真（VCS、iVerilog，帮助学习 IC 前端设计、逻辑验证、综合等流程等）

- 适配 FPGA 平台（Xilinx，以及国产 FPGA，帮助学习 FPGA 设计流程、时序约束等）

- 支持 MCU 的全部功能（帮助学习 bootloader、driver、RTOS、编译原理、调试等）

- ...

虽然简单，但是可以通过实践的方式去学习原本在书本上的内容，是我的初衷  

2021 年，一个基于 RISC-V 指令集的 **5 级流水线顺序单发射** 处理器设计完成。完全由 Verilog 语言编写，RTL 设计上也尽可能使用 "所见即所得" 的设计理念，与综合后的门电路的映射关系更加直观。并且增加了 RV32FD 扩展指令集，提供了学习 IEEE-754 浮点数的平台  

> yuheng-riscv-soc: https://gitee.com/dengchow/yuheng-riscv-soc.git  
> jiuzhang-fpu: https://gitee.com/dengchow/jiuzhang-fpu.git  
> XEMU: https://gitee.com/dengchow/xemu.git  
> TraSH: https://gitee.com/dengchow/TraSH.git  

因为是顺序处理器，不支持乱序、超标量，没有 Cache、分支预测，也不支持向量运算，在很多业内人士眼里：**This is a f\*\*k student toy!**  

评价很中肯，因为从设计之初，我就没有计划把它打造成一个真正的商用处理器，只是想给一些想从事相关行业的人员一个入门平台，去理解计算机的底层原理。这个社会或许是太浮躁了，我们可以站在巨人的肩膀上看世界，但是我们无法成为别人的肩膀  

读完一本计算机组成原理就可以完成全部工作，难度和开发工作量不算大，毕竟计算机从 1946 年的 ENIAC 诞生到今天，冯·诺依曼的存储程序思想，作为计算机的基本理论就没变过  

不管怎样，**Half love, Half live.**  

## GPU 设计

相比 CPU，GPU 可以完成大批量的简单运算，在图像处理、ML 等需要大量运算的场景无疑可以极大地减轻 CPU 的负担，毕竟这些运算非常简单，但是需要运算的数据量过于庞大  

将多个具备运算单元内核堆叠（将多个 CPU 的 ALU 堆叠），组成最简单的 GPGPU，对此，tiny-gpu 项目做出了很好的示范（tiny-gpu 并非简单的多 CPU 堆叠，它有着和 NVIDIA GPU 相似的架构）  

> tiny-gpu: https://github.com/adam-maj/tiny-gpu.git

该项目的作者参考 NVIDIA 的 GPU 架构设计了 GPU，并且成功运行了设计的 11 条指令

> "While there are lots of resources to learn about GPU programming, there's almost nothing available to learn about how GPU's work at a hardware level. Tiny-gpu is try to figure out what's going on." — Overview of tiny-gpu

RISC-V 架构支持 P 扩展、V 扩展，同样可以进行 SIMD，同样可以像 GPU 一样对计算进行加速。实现一个 RV32I + V 扩展的 CPU，然后将多个这样的 CPU 堆叠在一起，或许这就是最原始的 SIMT  

我并不想仅仅完成一个 GPGPU，因为我已经完成了一个基于 RISC-V 的 CPU，只是简单的改造让其支持并行计算无法满足我的期望。我希望完成一个真正的 GPU，准确的说是一张显卡，插到 PC 主板上，安装驱动，具备最基本的图形渲染管线，尽管运算的很慢  

在我认知的范围内，消费级的 GPU 是一种高端、闭源的产品，我们仅能从厂家发布的白皮书和产品手册中了解 GPU 的冰山一角。对于 GPU，通过学习计算机图形学可以很轻松获得渲染方面的知识，通过 DirectX、OpenGL、Vulcan 提供的 API，我们可以很容易在应用程序中去使用 GPU，但是如果不是相关公司的从业人员，很难能够解到底层。或许在我不知道的世界，一些高校的实验室、高校的学生可以获得 NVIDIA、AMD 的支持，但是对于大部分的人来说，这件事情可望而不可即  

因此，我决定做一个真正的 GPU，以帮助理解图形渲染，并且为它写一个基于 Windows WDDM 的 Display-only 驱动，使得可以作为一张真正的显卡被 PC 识别并使用  

通过这个项目，可以完成接触和了解多种开发平台的开发流程  

- 使用 Xilinx 的 7K325T 平台进行实现（接近 51K 个 LUT）  

- 学习 Windows display 驱动的工作流程  
  
- 支持使用 WinDbg 对驱动进行调试  

- 学习 WDDM 框架，并对基于 WDDM 框架驱动进行调试  

- 学习 PCIe、DDR 的使用  

- 学习 HDMI、DP 等显示端口的使用  

- ...

在将来的某一天，国内 GPU 厂家能够开放它的 GPU 硬件，开发者可以自行修改 GPU 驱动（开发者模式 or 实验室模式），那么这个项目就可以宣告结束了。毕竟一个只有 20MHz 的 GPU 去协助主屏 3.5GHz 的 CPU，简直就是狗骑吕布  

做 GPU 对我个人来说没有任何帮助，除了可以勉强锻炼我的 RTL 编码、驱动开发能力，并不能给我带来什么。正如前文提到的，在内人士眼里，或许它是：**This is a f\*\*k student toy again!**  

为了生活的几两碎银，一切的喜好都是空谈

或许，**Alive is a live with no love.**  

ATONEMAN  
2024/5/11