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蜂鸟 E200 系列 Core & SoC 简介

Content 0 REVISION HISTORY .......................................................................................................................... 1 1 背景简介 ................................................................................................................................... 2 2 蜂鸟 E200 简介 ......................................................................................................................... 4 3 蜂鸟 E200 开源型号及配置选项 .............................................................................................. 9 4 蜂鸟 E200 系列 CORE & SOC 原型快速使用说明...................................................................... 12 2

0 Revision History Date Version Author Change Summary Sep 29, 2017 0.1 Bob Hu Initial version Bob Hu  Removed the redundant E204 core in the Oct 12, 2017 0.2 Oct 13, 2017 0.3 Bob Hu Feb 21,2018 0.4 Bob Hu introduction, and updated the ISA combination for E203 from IMC/EMC to IMAC/EMAC  Added E203_CFG_SUPPORT_AMO option in Table-4  Updated the Chapter 2 for some introduction details 更新中文书书名为《手把手教你设计 CPU：RISC-V 处理器》《RISC-V 架构与嵌入式开发入门指南》注意：  本文档对蜂鸟处理器核以及 RISC-V 指令集架构的介绍尚不够详细，我们将出版中文书籍《手把手教你设计 CPU：RISC-V 处理器》中对其进行深入浅出地系统讲解。感兴趣的用户可以自行搜索此书。  本文档对 SoC 的各外设的介绍尚不够详细，我们将出版中文书籍《RISC-V 架构与嵌入式开发入门指南》中进行深入浅出的系统讲解。感兴趣的用户可以自行搜索此书。

1 背景简介 1 背景简介由于 IoT 领域的发展迅速，对于超低功耗处理器核的需求巨大，传统的 8 位 8051 内核应用很多在向着 32 位架构迁移。除了选择商用的处理器 IP 之外，使用开放 RISC-V 架构的处理器核也引起了广泛的关注。目前存在着诸多的开源与商用的 RISC-V 处理器核，对于众多开源实现加以分析，我们可以发现这些现象：  目前开源或商用的 RISC-V 实现主要以国外为主，没有一款中国本土的 RISC-V 处理器，难以取得与本土开发人员的交流和支持。  大多数的开源实现或者均来自于个人爱好者、或者来自于高校。其开发语言或者使用 VHDL，或者使用高级的 System Verilog。来自产业界工程团队且使用最稳健的 Verilog RTL 实现的开源 RISC-V 处理器尚不多见。  最知名的 Rocket Core 使用了高级的 Chisel 语言转换生成 Verilog RTL 代码，造成代码可读性很差，给不熟悉 Chisel 语言的业界工程师使用造成了困难。  面向 IoT 领域的高性能且超低功耗开源 RISC-V 处理器，可以选择的并不多，还难以对目前 IoT 领域的主流商用 ARM Cortex-M 系列处理器（2 级或者 3 级流水线实现）形成有效的替代。  绝大多数的开源处理器仅仅提供处理器核的实现，没有提供配套 SoC 和软件示例，用户若要将其使用起来且移植完整软件需要付出额外的努力。  绝大多数开源处理器仅仅提供处理器核的实现，但是并没有提供调试方案的实现，很少有开源处理器能够支持完整的 GDB 交互调试功能。  绝大多数开源处理器均文档匮乏。蜂鸟 E200 系列处理器均可有效解决以上这些问题，与其他的 RISC-V 开源处理器实现相比，它具有如下显著特点：  蜂鸟 E200 系列由中国大陆本土研发团队开发，用户能够轻松与本土的开发人员取得交流和支持。  蜂鸟 E200 的研发团队来自业界一流的处理器设计公司，使用所有 EDA 工具均稳健支持的 Verilog 2001 语法编写的可综合 RTL 代码。  蜂鸟 E200 的代码为人工编写，添加丰富的注释且可读性强，非常易于理解。 2

1 背景简介  蜂鸟 E200 专为 IoT 领域量身定做，其具有 2 级流水线深度，功耗和性能指标均优于目前主流商用的 ARM Cortex-M 系列处理器，能够在 IoT 领域完美替代 ARM Cortex-M 处理器。  蜂鸟 E200 不仅提供处理器核的实现，还提供完整的配套 SoC、详细的 FPGA 原型平台搭建，详细的软件运行实例。用户可以的按照其步骤重现出整套系统，轻松将 E200 处理器核应用其到具体产品中。  蜂鸟 E200 不仅提供处理器核的实现、SoC 实现、FPGA 平台和软件示例。还实现了完整的调试方案，具备完整的 GDB 交互调试功能。是从硬件到软件，从模块到 SoC，从运行到调试，的一套完整解决方案。  蜂鸟 E200 系列提供详细文档和实例。 3

2 蜂鸟 E200 简介 2 蜂鸟 E200 简介蜂鸟 E200 系列处理器由武汉聚芯微电子有限公司和北京九天卫星科技发展有限公司联合开发，处理器研发团队拥有多年在国际一流公司开发处理器的经验。蜂鸟是世界上最小的鸟类，其体积虽小却有着极高的速度与敏锐度，可以说是世界上“能效比”最高的鸟类。E200 系列以蜂鸟命名便寓意于此，旨在将其打造成一款世界上最小面积与最高能效比的 RISC 处理器。蜂鸟 E200 系列处理器核的特性简介如下：  E200 系列处理器核采用 2 级流水线结构，通过一流的处理器架构设计，该 CPU 核的功耗与面积均优于同级 ARM Cortex-M0+核，实现业界最高的能效比与最低的成本。  E200 系列处理器核能够运行 RISC-V 指令集，支持 RV32I/E/A/M/C/F/D 等指令子集的配置组合，支持机器模式（Machine Mode Only）。  E200 系列处理器核提供标准的 JTAG 调试接口，以及成熟的软件调试工具。  E200 系列处理器核提供成熟的 GCC 编译工具链，以及 Linux 与 Windows 图形化软件开发工具。  E200 系列处理器核配套 SoC 提供紧耦合系统 IP 模块，包括中断控制器，计时器， UART，QSPI，PWM 等，以及 Ready-to-Use 的 SoC 平台与 FPGA 原型系统。蜂鸟 E200 主要面向极低功耗与极小面积的场景而设计，非常适合于替代传统的 8051 内核或者 Cortex-M 系列内核应用于 IoT 或其他低功耗场景。同时蜂鸟 E200 作为结构精简的处理器核，可谓“蜂鸟虽小、五脏俱全”，源代码全部开源公开，文档翔实，非常适合作为大中专院校师生学习 RISC-V 处理器设计（使用 Verilog 语言）的教学实验或自学案例。蜂鸟 E200 系列处理器的系统示意图如图 1 所示，其提供丰富的存储和接口，包括：  私有的 ITCM（指令紧耦合存储）与 DTCM（数据紧耦合存储），实现指令与数据的分离存储同时提高性能。ITCM 与 DTCM 均基于单周期访问的单口 SRAM 实现， DTCM 的宽度为 32 比特，ITCM 的宽度为 64 比特以节省功耗。 ITCM 与 DTCM 均提供外部访问接口可供外部模块访问。ITCM 不仅用于存储指令，也可以被作为数据存储访问。  中断接口用于与 SoC 级别的中断控制器连接。  调试接口用于与 SoC 级别的 JTAG 调试器连接。 4

2 蜂鸟 E200 简介  系统总线接口，用于访存指令或者数据。可以将系统主总线接到此接口上，E200 可以通过该总线访问总线上挂载的片上或者片外存储模块。  紧耦合的私有外设接口，用于访存数据。可以将系统中的私有外设直接接到此接口上，使得 E200 无需经过与数据和指令共享的总线便可访问这些外设。  紧耦合的快速 IO 接口，用于访存数据。可以将系统中的快速 IO 模块直接接到此接口上，使得 E200 无需经过与数据和指令共享的总线便可访问这些模块。  所有的 ITCM、DTCM、系统总线接口、私有外设接口、快速 IO 接口均可以配置地址区间。图 1 蜂鸟 E200 处理器系统示意图蜂鸟 E200 是一个处理器系列，包含了多款不同的具体处理器型号，所有的 E200 系列 Core 均支持协处理器接口可用于自定义扩展指令，不同型号的具体差别如表 1 所示。  E201 Core 是面积最小的 Core，可以配置为 RV32IC 或者 RV32EC 架构，不支持其他的扩展指令子集。 5

2 蜂鸟 E200 简介  E203 Core 可以配置为 RV32IMAC 或者 RV32EMAC 架构，支持面积优化的多周期硬件乘除法单元。  E205 Core 为 RV32IMAC 架构，支持单周期的硬件乘法单元和多周期的硬件除法单元。  E205f Core 为 RV32IMAFC 架构，在基本的 E205 基础上加入了单精度浮点运算单元。  E205fd Core 为 RV32IMAFDC 架构，在基本的 E205 基础上加入了单精度和双精度浮点运算单元。表 1 E200 处理器型号特性介绍 E201 E203 E205 E205f E205fd 支持的 RISC-V 32 位架构指令子集硬件乘除法单元硬件单精度浮点器硬件双精度浮点器 ECC 保护 SRAM 可扩展性基本外设 IC EC 无无无 IMAC EMAC 有 IMAC IMAFC IMAFDC 有（多周期乘法器）（单周期乘法）无无无无有无有有可配置使用 ECC 对 ITCM 与 DTCM 进行保护，ECC 算法对于单比特错误能够纠正，双比特错误能够报错可以进行指令集扩展（支持协处理器接口）提供 SPI，UART，PWM，GPIO，Timer，中断控制器等基本外设蜂鸟 E200 处理器核的功耗与面积以及性能参数非常的有竞争力，如表 2 中所示，蜂鸟 E203 核心的功耗面积和性能均优于 ARM 的 Cortex M0+处理器核（M0+ 是 ARM 最小面积的处理器核心）；蜂鸟 E205 核心的功耗面积和性能均优于 Cortex M3 处理器核。而 E205fd 更提供了目前仅在 Cortex M7 中才具备的双精度浮点特性（Cortex M7 是面积特别大的处理器核，难以适应极低功耗要求的场景）。很多开源的处理器核仅有一个 Core 的实现，为了使其能够被完整使用起来，用户需要花费不少精力来构建完整的 SoC 平台、FPGA 平台、并且对于调试（Debugger）的支持更加的困难。蜂鸟 E200 不仅仅完全自主设计完成了 Core 的实现，还搭配完整的 SoC 平台，如图 2 和表 3 所示。该 SoC 使用可综合 Verilog RTL 代码基于开源的 Freedom E310 SoC 平台二次开发所得，请参见《Hummingbird_E200_Series_Core_SoC_Quick_Start_Guide.pdf》了解更多 SoC 的介绍与信息。蜂鸟 E200 还提供软件开发环境，支持交互式硬件调试工具（GDB）的支持。用 6

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