10. RISC-V 與 C：v2c cc#
這個專案用 Veryl 寫了一顆 RISC-V CPU，也附了一個能把 C 編成它的機器碼的編譯器。 所以可以「自己設計 CPU，再在上面跑自己寫的 C 程式」——在虛擬開發板上，或燒進真的 iCEBreaker。
硬體：examples/src/rvsoc.veryl#
| 模組 | 內容 |
|---|---|
RvCore | 多週期 RV32IMA + Zicsr：一般指令 2 拍、load 3 拍、乘除法 35 拍；machine mode 的中斷與例外（計時器、軟體、外部 = 序列埠收到位元組；ecall、ebreak、非法指令、位址沒對齊）、mret、wfi；暫存器檔放在 block RAM |
RvSoc | CPU + 8 KB 記憶體（block RAM）+ 記憶體映射的周邊 + 給 testbench 用的載入埠 |
RvBoard | iCEBreaker 的頂層（腳位 examples/rvsoc.pcf）：BTN1–3、PMOD1A 的 8 個輸出（LED 模組…）、PMOD1B 的 8 個開關、USB 序列埠 |
RvVgaBoard（examples/src/rvvga.veryl） | 再加上 40 × 30 字元的 VGA 文字畫面 |
另外 examples/src/rv32i.veryl 是單週期的 RV32I（RiscvCore），比較好讀，適合教學。
記憶體映射#
| 位址 | 名稱（C 裡的巨集） | 說明 |
|---|---|---|
0x0000_0000 | — | 8 KB RAM：程式與資料，堆疊從頂端往下長 |
0x1000_0000 | LED | 8 個輸出（讀寫） |
0x1000_0004 | BUTTONS、SWITCHES | bit 2..0 = BTN3..BTN1（1 = 按下），bit 15..8 = 8 個開關 |
0x1000_0008 | UART_DATA | 寫：送出一個位元組；讀：收到的位元組 |
0x1000_000C | UART_STATUS | bit 0 = 傳送中，bit 1 = 收到一個位元組 |
0x1000_0010 | TIMER、MTIME | 開機後經過的時脈數（12 MHz） |
0x1000_0018 | MTIMECMP | MTIME ≥ MTIMECMP 時計時器中斷 |
0x1000_0020 | MSIP | 1 = 軟體中斷 |
0x1000_2000 起 | VGA_TEXT、VGA_FONT、VGA_COLOR | VGA 文字模式（只有 RvVgaBoard） |
編譯與執行#
v2c cc PROG.c [-o PROG.bin] [-S PROG.s] [-L PROG.lst] [--run [N]] [--mem BYTES]
$ v2c cc --run examples/c/hello.c
hello.c: 2488 bytes of code and data, 2492 with bss (RAM 8192 bytes)
Hello from C on a RISC-V you built in Veryl!
...
| 選項 | 內容 |
|---|---|
-o PROG.bin | 從位址 0 開始的二進位映像檔（給 v2c fpga --program、虛擬板） |
-S PROG.s | 產生的組合語言：每個敘述前面有一行 C 原始碼當註解 |
-L PROG.lst | 列表：位址、機器碼、組合語言與 C 原始碼對照 |
--run [N] | 在指令集模擬器上執行最多 N 個指令（預設 1000 萬）。序列埠的輸出印到螢幕；結束時印出指令數、時脈數與 LED |
--mem BYTES | RAM 大小（預設 8192，與 RvSoc 相同） |
程式跑到 main 結束會停在 _halt（顯示 halted）；永遠不結束的程式在 N 個指令後停下（顯示 stopped）。 --run 不會把鍵盤輸入送給程式；要互動（getchar、read_line）請用虛擬開發板的 USB 終端機。
.s / .S 檔會直接組譯（支援 RV32IMA、Zicsr、虛擬指令、%hi / %lo、.data / .rodata / .bss）。
支援的 C#
- 型別：
char（無號，和 RISC-V ABI 一樣）、signed char、short、int、long（=int）與它們的unsigned，void， 指標，任意維的陣列；接受const/volatile/static/extern。 - 敘述：區塊、
if、while、do、for、switch、break、continue、return，宣告可以放在任何地方；所有 C 運算子。 - 函式：最多 8 個參數、
...可變參數；函式名稱可以當位址用（例如交給set_mtvec）。 - 前置處理器：
#define（含參數）、#undef、#ifdef/#ifndef、#if 常數、#else、#endif、#error；#include與#pragma會被忽略（執行期函式庫一律在）。 asm("...")：在函式裡插入組合語言；只有asm的函式不加進出程式碼（naked）；檔案最外層的asm(...)可以定義整段組合語言。- 沒有：struct、union、enum、typedef、浮點數、函式指標的呼叫。
執行期函式庫#
| 類別 | 函式 / 巨集 |
|---|---|
| 序列埠 | putchar、getchar、kbhit、puts、printf（%d %i %u %x %X %c %s、寬度、補零）、sprintf、read_line |
| 時間 | millis、delay_ms、delay_us、TIMER、CLOCK_HZ |
| 字串與記憶體 | strlen、strcmp、strcpy、memset、memcpy、atoi |
| 其他 | rand、srand、abs |
| 周邊 | LED、BUTTONS、SWITCHES、UART_DATA、UART_STATUS |
VGA 文字（RvVgaBoard） | vga_init（載入字型）、vga_clear、vga_color(fg, bg)（0xRGB）、vga_goto(欄, 列)、vga_putc、vga_puts、vga_printf |
| 中斷與 CSR | interrupts_on / off、irq_save / irq_restore、wfi、set_mtvec、set_mie（MIE_MTIE 計時器、MIE_MSIE 軟體、MIE_MEIE 序列埠）、read_mcause、read_mepc / write_mepc、read_mstatus、read_mip、read_minstret、read_mscratch / write_mscratch、MTIME、MTIMECMP、MSIP |
| 原子操作 | atomic_swap、atomic_add、atomic_and、atomic_or、atomic_xor、atomic_cas、spin_lock、spin_unlock |
只有程式真正用到的函式會放進映像檔。
範例（examples/c/）#
| 檔案 | 示範 |
|---|---|
hello.c | 序列埠問候、LED 計數、把收到的字轉大寫送回 |
knight.c | 跑馬燈，按鈕調速（軟體的上升緣偵測） |
guess.c | 終端機猜數字遊戲 |
sevenseg.c | 七段顯示器的軟體掃描 |
music.c | 蜂鳴器播放旋律 |
switches.c | 開關顯示在 LED，終端機印出二進位 / 十六進位 |
vga.c | VGA 文字模式（RvVgaBoard） |
threads.c | 小小的搶佔式多執行緒核心：計時器中斷切換執行緒、ecall 做 yield / sleep、amoswap 互斥鎖 |
放到 FPGA 上#
虛擬開發板（最方便）：網頁 IDE 的「C 程式」範例，⚡ 虛擬板預設用 CPU 模式——指令集模擬器以即時速度執行， 記憶體映射、周邊與每個指令花的時脈數都和 RvSoc 相同（第 12 章）。切到位元流或網表模式，就是真的跑 rvsoc.veryl 合成出來的電路（慢很多）。
實體板子：
v2c cc -o hello.bin examples/c/hello.c
v2c fpga --top RvBoard --pnr veryl --pcf examples/rvsoc.pcf --program hello.bin --bin soc.bin \
examples/src/rv32i.veryl examples/src/sync_ram.veryl examples/src/uart.veryl examples/src/rvsoc.veryl
iceprog soc.bin
整顆 SoC（約 4200 個邏輯單元、20 塊 block RAM）的佈局繞線約需一分鐘，Fmax 約 13–14 MHz。
接上序列埠終端機（115200 baud，例如 screen /dev/tty.usbserial-xxx 115200）就能看到輸出。