从零开始写RISC-V处理器【5】硬件篇（3-完）

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从零开始写RISC-V处理器【1】前言
从零开始写RISC-V处理器【2】浅谈Verilog
从零开始写RISC-V处理器【3】硬件篇（1）
从零开始写RISC-V处理器【4】硬件篇（2）
从零开始写RISC-V处理器【5】硬件篇（3-完）

项目地址：https://gitee.com/liangkangnan/tinyriscv

4.10 中断

中断(中断返回)本质上也是一种跳转，只不过还需要附加一些读写CSR寄存器的操作。

RISC-V中断分为两种类型，一种是同步中断，即ECALL、EBREAK等指令所产生的中断，另一种是异步中断，即GPIO、UART等外设产生的中断。

对于中断模块设计，一种简单的方法就是当检测到中断(中断返回)信号时，先暂停整条流水线，设置跳转地址为中断入口地址，然后读、写必要的CSR寄存器(mstatus、mepc、mcause等)，等读写完这些CSR寄存器后取消流水线暂停，这样处理器就可以从中断入口地址开始取指，进入中断服务程序。

下面看tinyriscv的中断是如何设计的。中断模块所在文件：rtl/core/clint.v

输入输出信号列表如下：

先看中断模块是怎样判断有中断信号产生的，如下代码：

第3~4行，复位后的状态，默认没有中断要处理。

第6~7行，判断当前指令是否是ECALL或者EBREAK指令，如果是则设置中断状态为S_INT_SYNC_ASSERT，表示有同步中断要处理。

第8~9行，判断是否有外设中断信号产生，如果是则设置中断状态为S_INT_ASYNC_ASSERT，表示有异步中断要处理。

第10~11行，判断当前指令是否是MRET指令，MRET指令是中断返回指令。如果是，则设置中断状态为S_INT_MRET。

下面就根据当前的中断状态做不同处理（读写不同的CSR寄存器），代码如下：

第1023行，当CSR处于S_CSR_IDLE时，如果中断状态为S_INT_SYNC_ASSERT，则在第11行将CSR状态设置为S_CSR_MEPC，在第12行将当前指令地址保存下来。

在第1323行，根据不同的指令类型，设置不同的中断码(Exception Code)，这样在中断服务程序里就可以知道当前中断发生的原因了。

第24~28行，目前tinyriscv只支持定时器这个外设中断。

第30~31行，如果是中断返回指令，则设置CSR状态为S_CSR_MSTATUS_MRET。

第34~48行，一个时钟切换一下CSR状态。

接下来就是写CSR寄存器操作，需要根据上面的CSR状态来写。

第11~15行，写mepc寄存器。

第17~21行，写mcause寄存器。

第23~27行，关闭全局异步中断。

第29~33行，写mstatus寄存器。

最后就是发出中断信号，中断信号会进入到执行阶段。

有两种情况需要发出中断信号，一种是进入中断，另一种是退出中断。

9~12行，写完mstatus寄存器后发出中断进入信号，中断入口地址就是mtvec寄存器的值。

第13~15行，发出中断退出信号，中断退出地址就是mepc寄存器的值。

4.11 JTAG

JTAG作为一种调试接口，在处理器设计里算是比较大而且复杂、却不起眼的一个模块，绝大部分开源处理器核都没有JTAG(调试)模块。但是为了完整性，tinyriscv还是加入了JTAG模块，还单独为JTAG写了一篇文章《深入浅出RISC-V调试》，感兴趣的同学可以去看一下，这里不再单独介绍了。要明白JTAG模块的设计原理，必须先看懂RISC-V的debug spec。

4.12 RTL仿真验证

写完处理器代码后，怎么证明所写的处理器是能正确执行指令的呢？这时就需要写testbench来测试了。

其实在写代码的时候就应该在头脑里进行仿真。这里并没有使用ModelSim这些软件进行仿真，而是使用了一个轻量级的iverilog和vvp工具。

在写testbench文件时，有两点需要注意的，第一点就是在testbench文件里加上读指令文件的操作：

第2行代码的作用就是将inst.data文件读入到rom模块里，inst.data里面的内容就是一条条指令，这样处理器开始执行时就可以从rom里取到指令。

第二点就是，在仿真期间将仿真波形dump出到某一个文件里：

这样仿真波形就会被dump出到tinyriscv_soc_tb.vcd文件，使用gtkwave工具就可以查看波形了。

到这里，硬件篇的内容就结束了。

本系列完！