轻量级安全内存：RISC-V嵌入式微处理器安全增强

近年来,针对嵌入式设备中硬件的新型攻击不断出现,严重威胁嵌入式设备的安全.特别是随着非易失性存储器开始被配备到嵌入式设备中,就需要考虑如何保护配备非易失性存储器的嵌入式设备的安全.安全内存,就是这样一种通过保护内存来增强嵌入式设备安全性的有效手段.通过设计一种安全内存加密引擎来实现安全内存.在保证该安全内存加密引擎足够轻量、开销低的同时,将其集成到RISC-V嵌入式微处理器中,并通过FPGA对该安全内存加密引擎进行了评估.评估结果表明,安全内存加密引擎能够在提升RISC-V嵌入式微处理器安全性的同时,保证其合理的访存性能以及较小的面积开销.研究结果具有良好的参考价值和应用前景.     

基于RISC-V处理器的卷积加速SoC系统设计

为提高卷积神经网络（CNN）的计算效率和能效,以8 bit定点数据作为输入,设计一个支持激活、批标准化以及池化等CNN网络中常见计算类型的卷积加速器,优化循环计算顺序并将其与数据复用技术相结合,以提高卷积计算的效率。基于软硬件协同设计思想,构建包含RISC-V处理器和卷积加速器的SoC系统,RISC-V处理器基于开源的指令集标准,可以根据具体的设计需求扩展指令功能。将该SoC系统部署在Xilinx ZCU102开发板上,RISC-V处理器和卷积加速器分别工作在100 MHz和300 MHz频率下,测试结果表明,该加速器的算力达到153.6 GOP/s,运行VGG16网络进行图片推理计算时加速效果较好。     

RISC-V指令集架构研究综述

指令集作为软硬件之间的接口规范,是信息技术生态的起始原点.RISC-V是计算机体系结构走向开放的必然产物,其出现为系统研究领域带来了新的思路,即系统软件问题的研究深度可以进一步向下延伸至指令集架构,从而拓展甚至颠覆软件领域的“全栈”概念.对近年来RISC-V指令集架构相关的研究成果进行了综述.首先介绍了RISC-V指令集的发展现状,指出开展RISC-V研究应重点关注的指令集范围.然后分析了RISC-V处理器设计要点和适用范围.同时,围绕RISC-V系统设计问题,从指令集、功能实现、性能提升、安全策略这4个方面,论述了RISC-V处理器基本的研究思路,并分析了近年来的研究成果.最后借助具体的研究案例,阐述了RISC-V在领域应用的价值,并展望了RISC-V架构后续研究的可能切入点和未来发展方向.     

基于RISC-V浮点指令集FPU的研究与设计

针对目前浮点运算软件实现速度慢,不能满足嵌入式处理器实时性要求以及运算种类有限等问题,提出了一种基于RISC-V指令集的浮点处理器,能够执行加法、减法、乘法、除法、平方根、乘累加以及比较运算,完全符合IEEE 754-2008标准。在VCS仿真环境下对浮点处理器进行了功能验证,各模块均能满足正确性要求。将浮点处理器与一款开源处理器核蜂鸟E203集成,使用SMIC 0.18工艺库完成了逻辑综合,并在FPGA上对设计进行了测试。结果表明,该浮点处理器的逻辑门数仅为24 200,吞吐量为150 MFLOPS,与已公开文献的设计方案相比,硬件面积分别减少7%、1.5%。综合运行频率可达100 MHz。     

基于符号补偿的RISC-V处理器乘法器优化

针对高性能RISC-V处理器乘法运算延迟过长的问题,改进了基本乘法器中的基4-Booth编码以及Wallace树型结构,提出了基于符号补偿的基4-Booth编码以及交替使用3-2压缩器和4-2压缩器的Wallace树型结构。基于符号补偿的基4-Booth编码减少了部分积的数量,降低了符号位进位翻转带来的功耗。改进的Wallace树型结构减少了部分积累加所花费的时钟周期,缩短了乘法器的关键路径,降低了乘法指令的执行延迟。利用VCS仿真验证了改进的乘法器功能正确性,通过板级测试评估了其性能。结果表明,本文的乘法器功能正确,相较于PicoRV32,执行整型乘法指令所花费的时钟周期缩短了88.2%。Dhrystone分数提高了71.7%,功耗降低了4.9%。     

RISC-V架构硬件辅助用户态内存安全防御方案概览

传统的用户态内存安全防御机制基于x86架构和纯软件方式实现,实现内存安全保护的运行时开销很高,难以部署在生产环境中.近年来,随着主流商业处理器开始提供硬件安全扩展,以及RISC-V等开源处理器架构的兴起,内存安全保护方案开始面向x86-64、ARM、RISC-V等多种体系架构和硬件辅助实现方式.我们对RISC-V架构上实现的内存安全防御方案进行了讨论,并对x86-64、ARM、RISC-V等处理器架构在安全方案设计上的特点进行了比较.得益于开放的指令集架构生态, RISC-V架构的内存安全防御方案相较于其他架构有一些优势.一些低成本的安全防御技术有望在RISC-V架构上实现.     

开源片上系统Freedom E310调试过程原理分析

Freedom E310是第一款基于RISC-V指令集架构的开源商业片上系统,可以依据具体应用场景对其进行深度定制,在介绍Freedom E310中与调试有关的模块、地址空间、控制状态寄存器之后,从原理上分析了halt、resume、step、断点设置等调试指令的实现过程.     

CPU发展概述及国产化之路

基于当前芯片技术封锁及中国电子产品研发制造业如火如荼的大环境,文章对目前主流的CPU架构进行了整体概述,描述了X86架构和ARM架构下系列化产品的发展进程,并着重分析了国产化CPU的现状及RISC-V架构的发展前景。     

支持RISC-V向量指令的汇编器设计与实现

Vector computing can effectively improve the computing efficiency of computers and reduce unnecessary hardware overhead. With the improvement of CPU computing capability, the expansion of register number, and other hardware development trends, vector computing has becoming one of the widely used technologies to improve the CPU performance. The RISC-V architecture, which is highly focused on, also needs vector technology to improve the architecture performance. The open source RISC-V assembler only support standard instructions, and does not support vector instructions until now. In order to support RISC-V vector instructions, this paper details the design and implementation of RISC-V assembler supporting vector instructions.