Implementace RISC-V soft-core procesoru na FPGA s podporou operačního systému reálného času

Abstract

Cílem této diplomové práce je implementovat malý počítačový systém založený na FPGA a vytvořit podporu pro vybraný operační systém reálného času. První část práce analyzuje vybrané open-source operační systémy reálného času, podporující architekturu RISC-V, a vybrané open-source RISC-V soft procesory, společně se systémy, které tyto procesory integrují a propojují je s periferiemi. Výsledkem analýzy je výběr NuttX, vysoce konfigurovatelného a modulárního operačního systému, který podporuje POSIX rozhraní a přebírá velké množství konceptů z ostatních Unixových operačních systémů, a výběr soft systému zvaného Ibex Demo System, integrující malý 32 bitový RISC-V soft procesor zvaný Ibex, paměť, RISC-V kompatibilní debug modul a několik základních periferií pro vnější komunikaci. Druhá část práce popisuje spojení zvolených systémů do jednoho funkčního počítačového systému. Ibex Demo System je nejprve přizpůsoben pro běh na FPGA deskách Basys 3 a Nexys Video, a jeho UART modul je rozšířen. Dále je proveden port NuttX na Ibex Demo System, společně s vytvořením podpory pro obě zmíněné FPGA desky. V obou případech jsou vytvořeny konfigurace pro existující aplikace, demonstrující funkčnost vytvořeného počítačového systému. Výsledkem práce je průhledný počítačový systém, jehož činnost lze sledovat na systémové úrovni pomocí tradičního nástroje GDB, což ho činí ideálním i pro edukativní účely.

The goal of this thesis is to implement a small computer system based on an FPGA and to develop support for a selected real-time operating system. The first part of the thesis analyzes several open-source real-time operating systems that support the RISC-V architecture, as well as several open-source RISC-V soft processors, together with systems that integrate these processors and connect them to peripherals. The result of this analysis is the selection of NuttX, a highly configurable and modular operating system that supports the POSIX interface and incorporates many concepts from other Unix operating systems, and the selection of a soft system called Ibex Demo System, integrating a small 32-bit RISC-V soft processor called Ibex, memory, a RISC-V compatible debug module, and several basic peripherals for external communication. The second part of the thesis describes their integration into one functional computer system. Ibex Demo System is first adapted to run on the Basys 3 and Nexys Video FPGA boards, and its UART module is extended. Furthermore, NuttX is ported to Ibex Demo System, with support added for both of the mentioned FPGA boards. In both cases, configurations are created for existing applications to demonstrate the functionality of the developed computer system. The result of the work is a transparent computer system whose operation can be monitored at the system level using the traditional tool GDB, making it ideal for educational purposes as well.