香山开源高性能RISC-V处理器敏捷设计实践

2019年,在中国科学院支持下,由中国科学院计算技术研究所牵头发起“香山”高性能开源RISC-V处理器项目,研发出目前国际上性能最高的开源高性能RISC-V处理器核“香山”,在开源项目托管平台GitHub上获得超过3 000个星标,形成360多个分支,成为国际上广受关注的开源硬件项目之一,得到国内外企业的支持。2021年6月22日,“香山”开源高性能RISC-V处理器在首届RISC-V中国峰会上亮相,引起了各界的广泛关注。本文根据第二届RISC-V中国峰会的主会报告“香山开源高性能RISC-V处理器敏捷设计实践”整理而成,分享香山过去一年的总体进展。     

基于轻量化远程过程调用的RISC-V调试协议栈方案

近年来,随着RISC-V架构以其独特的开源、精简、模块化等优势在工业界快速铺开,市场中涌现出大量基于RISC-V架构的处理器IP核及基于RISC-V架构设计的片上系统(system on chip).现有调试器作为RISC-V软件开发过程中的一个重要部件,存在性能低、部署成本高以及二次开发难度大等问题,难以应对现今井喷发展的RISC-V架构芯片的RTL设计与验证、程序开发与调试、量产批量编程的需求.为了解决这些问题,本文提出一种全新的、开源的、模块化基于轻量级远程过程调用实现互操作的RISC-V调试协议栈方案—Morpheus.实验及分析结果表明,该调试方案能够有效提高调试性能,降低部署成本和二次开发难度.     

RISC-V架构的开源处理器及SoC研究综述

RISC-V是一种新的指令集架构,发布以来得到了大量关注,在描述了RISC-V的产生背景、基本设计的基础上,简单比较了其与现有的开源指令集架构、商业指令集架构的优劣,然后详细介绍了现有的采用RISC-V架构的开源处理器、开源SoC,并展望了RISC-V的未来发展.     

基于RISC-V的服务器管理控制器FPGA原型设计

服务器管理控制器是云计算装备关键部件之一, 目前主要基于ARM架构开发, ARM较高的授权费推高了控制器设计成本, 不利于SoC相关产品的迭代和升级. RISC-V是近年提出的一种开源的处理器架构, 与ARM同属精简指令集, 具有模块化、可扩展等诸多特点. 本文采用RISC-V开源处理器BOOM核心, 设计实现了一种基...     

基于RISC-V的新型硬件性能计数器

经过多年的发展,X86架构与ARM架构的处理器逐渐分别占据了桌面端和移动端市场的主导地位.虽然无论从技术角度还是从生态体系方面,这两类架构的处理器性能越来越高,但是由于其指令集臃肿、技术复杂、授权困难等原因,使得开发这两类架构的处理器的门槛较高.研究院所还没有一个合适的指令集用于体系结构的研究和创新.RISC-V指令集的开源使得这一局面得以缓解.其具备精简、开源、敏捷开发等特点引起了工业界与学术界的广泛关注与积极参与.性能计数器(Hardware Performance Counter,HPC)是处理器研究和性能调优的重要工具.由于RISC-V制定的标准性能计数器的可拓展性欠佳、可同时捕获事件的数量有限等不足,本文提出一种新的基于RISC-V的分布式硬件性能计数器.本文使用Genesys2开发板作为实验平台,将这种性能计数器适配到lowRISC-v0.4开源SoC项目上,完成了对该设计方案的验证与评估.该性能计数器只占用3个控制状态寄存器(Control and Status Registers,CSRs)就可以同时捕获比标准的性能计数器多近乎一个数量级的事件,在RISC-V处理器的性能分析、结构优化、侧信道攻防等方面为研究者提供了翔实的统计数据.     

跨平台内存安全测试集设计

内存安全性是一项非常重要的性质,但它很容易被攻击者利用.过去针对内存安全问题提出的许多防御方案,由于性能代价高昂,很少能够部署在生产环境中.最近,随着RISC-V等开源处理器架构的兴起,安全领域迎来了设计新的处理器硬件安全拓展的热潮,硬件辅助防御方案的性能代价降低,变得可以接受.为了更好地支持内存安全处理器拓展的设计,以及更好地评估处理器内存安全性能,我们设计了一款兼具综合性、可移植性内存安全测试框架,并开源了一个160测例大小的初始版本测试集,覆盖了内存时空安全性、访问控制、指针和控制流完整性等方面,并在x86-64和RISC-V64两种指令集架构的平台上进行了测试.     

基于RISC-V的FFmpeg多媒体算法库优化策略

RISC-V处理器的广泛应用使得FFmpeg多媒体算法库在RISC-V平台上的高性能实现日益重要。提出一种基于RISC-V架构的系列优化策略,针对开源音视频多媒体FFmpeg算法库中不同特征和计算密度的算法,利用RISC-V指令集的扩展性对算法库中某些耗时的算法进行指令加速和并行优化。在深入研究RISC-V开源架构的基础上,构建一个基于RISC-V开源架构的高性能FFmpeg算法库。针对不连续访存类算法、数据依赖类算法、数据快速转换类算法,从向量单元配置、向量化访存、汇编优化、指令流水优化4个方面出发,大幅提升FFmpeg算法库在RISC-V处理器上的性能。实验结果表明,采用以上优化策略后的FFmpeg算法库在基于RISC-V架构的XT-910芯片上的性能得到明显提升,其中的不连续访存类算法、数据依赖类算法、数据快速转换类算法的加速比分别为8.20、3.67、3.62。     

面向100Gbps网络应用的RISC-V CPU设计与实现

RISC-V作为新一代开源精简指令集,具有功耗低、面积小和性能高的优点,因此基于RISC-V架构的技术和产品发展迅速.然而,目前基于RISC-V架构的中高端64位CPU设计实例很少,也缺乏相应的商用IP,尤其是在面向高速网络应用方面.因此,首先改进了开源的64位U500 RISC-V SoC,包括增加了总线宽度和集成二...     

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.     

基于SoC-FPGA的RISC-V处理器软硬件系统级平台

构建软硬件系统级原型平台是处理器设计硅前测试中必不可少的环节.为适应基于开放指令集RISC-V的开源处理器设计需求，简化现有基于FPGA的处理器系统级原型平台构建方法，提出了一套基于SoC-FPGA的处理器敏捷软硬件原型平台，以实现目标软硬件设计的快速部署与系统级原型高效评测.针对上述目标，发掘紧耦合SoC-FPGA器件的潜力，构建了一套RISC-V软核与ARM硬核（SoC侧）之间的信息交互机制.通过共享内存和虚拟核间中断等方法，可使目标RISC-V处理器灵活使用平台丰富的I/O外设资源，并充分利用硬核ARM处理器算力协同运行复杂软件系统.此外，为提升软硬件系统级平台的敏捷性，构建了灵活可配置的云上自动化开发框架.通过对平台上目标RISC-V软核处理器各方面的分析评估，验证了该平台可有效缩短系统级测试的迭代周期，提升RISC-V处理器软硬件原型评测效率.     

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.     

开源处理器Rocket的分支预测机制与性能评估

Rocket是基于RISC-V指令集架构的开源处理器,具有分支预测功能,其实现了GShare分支预测机制,在分析Rocket处理器分支预测处理过程、分支预测实现原理的基础上,利用模拟器进行了性能测试,并依据测试结果,对Rocket处理器分支预测参数配置给出建议.     

开源处理器Rocket的自定义指令研究与测试

Rocket是基于RISC-V指令集架构的开源处理器,其实现了RISC-V的三条自定义指令custom0、custom1、custom2,在分析Rocket中自定义指令的处理过程后,编写测试程序,验证了自定义指令的实现.     

面向64位RISC-V的基础数学库自动化移植

受制于核心技术和知识产权等客观条件,国产自主芯片的研发困难重重.RISC-V作为一个开源指令集架构(ISA),具有简洁、模块化等优点,成为了国产处理器的新选择.基础数学库作为计算机系统最基础的核心软件库之一,对国产处理器的软件生态建设和健康发展尤为重要,而目前RISC-V还没有相关的基础数学库.因此,文中旨在将基于国产...     

基于QEMU RISC-V架构的OpenHarmony标准系统移植

RISC-V指令集架构的诞生促进了RISC-V硬件平台的快速发展,因此,在RISC-V架构硬件平台上运行高效且易于使用的操作系统需求日益增加.面向分布式、开源开放的智能终端操作系统OpenHarmony技术正在不断演进,其生态持续繁荣.然而,将OpenHarmony适配到RISC-V指令集架构平台上面临新的挑战,包括软件栈和芯片移植的问题. RISC-V指令集架构平台的软件栈和芯片移植存在新的挑战.本文提出了基于RISC-V QEMU平台的OpenHarmony标准系统移植的思路和方法,通过对关键软件栈进行适配和在QEMU RISC-V虚拟化硬件平台上移植图形显示驱动,成功实现了OpenHarmony标准系统在QEMU RISC-V虚拟化硬件平台上的正常启动,并进入系统桌面.该成果为开发者提供了在RISC-V平台上测试应用OpenHarmony标准系统的平台,并为新的RISC-V硬件平台上移植OpenHarmony标准系统提供了参考.     

基于RISC-V指令集的向量控制模块验证实现

RISC-V指令集架构具有永久开源、指令集精简且高效、处理器微架构模块化、架构扩展性强等特点,在云计算、边缘计算、车载智能计算等领域的应用日渐广泛,其向量扩展部件可以大幅度提高计算机的运算效率,减少不必要的硬件开销。随着处理器运算能力增强和寄存器位数扩展等硬件的进一步发展,向量部件已成为处理器芯片架构中的常用技术,可用来增强处理器性能。向量控制模块是向量部件的核心控制单元,具有时序关系复杂、规范难以描述等特点。本文针对向量控制模块特点,优化设计验证流程,构建高效率验证平台,以功能覆盖率和代码覆盖率为牵引量化验证进度。通过RISC-V向量控制模块验证,有效提升向量控制模块的可靠性,降低流片风险,减轻子系统级验证和系统级验证负担,使之专注于互联、交互响应和接口验证。     

基于开源架构的电力专用SoC芯片设计

对于现有软核处理器存在使用灵活性差、功耗高等问题，提出基于RISC-V架构的电力专用片上系统。采用RISC-V核作为标量处理器，按照系统功能设计、顶层结构设计、IP模块设计、功能仿真验证、综合布线、芯片制造等设计流程设计SoC芯片。实验结果证明，所提研究的SoC芯片仿真运行频率可达到100 MHz，且能灵活稳定运行，功耗较低，性能较高，能够对电力系统中的突发故障进行实时的监测和预警，可广泛应用于智能电网系统和智能家电的控制。     

英特尔酷睿微体系架构与浪潮服务器

2006年4月在北京举行的IDF峰会上,英特尔全新的“酷睿”微体系结构成为会场瞩目的焦点。浪潮公司作为国内领先的服务器厂商也将在今年6月推出支持采用酷睿微体系结构的双核服务器。本文将着重介绍英特尔酷睿微体系结构的优势、以及浪潮服务器设计理念的演进。什么是处理器架构与微架构?处理器性能的改善在很大程度上归功于处理器架构的发展和VLSI(超大规模集成电路)工艺的改进。处理器架构指公开面向编程人员的指令集、寄存器以及内存数据的结构。微架构指的是在芯片上实现的处理器架构。在一个处理器家族内,微架构通常会在保持架构兼容…     

基于RISC-V平台openEuler系统的COMO构件技术移植与应用

随着云计算、物联网技术的发展,边缘计算模式开始兴起. RISC-V开源指令集架构和openEuler开源操作系统正在逐渐形成一个开放、灵活、不断演进和架构包容的软件生态体系,为边缘计算应用的构建提供了良好的软硬件创新平台.然而,在其之上的支持面向边缘计算的软件开发环境、开发框架和工具链等基础设施尚不够完善. COMO是解决C++软件资产复用的构件化技术,将COMO技术与RISC-V、openEuler结合有助于RISC-V、openEuler生态在新的软件技术架构上发展.本文提出了在基于RISC-V架构和openEuler操作系统的软硬件平台上进行COMO构件程序运行与开发环境移植的思路和方法,并通过实验证明了COMO构件技术与RISC-V指令集架构和openEuler操作系统的兼容性和可行性;通过一个简单的实例介绍COMO的ServiceManager框架在边缘计算中的应用,在为面向云计算与物联网的边缘计算应用提供XaaS服务的构件化程序开发模式的方向上进行了有益的探索.     

龙腾九州中国“心”——千元龙芯电脑架构分析

2006年9月13日是我国龙芯计划一个重要的里程碑。“64位龙芯2号增强型处理器（简称龙芯2E．英文名为Godson-2）”通过科技部验收．该处理器最高主频达到1GHz．实测性能超过1．5GHz奔腾4处理器水平。同日．“龙芯2号增强型处理器”通过了科技成果鉴定。值得注意的是，龙芯2家族中．2E是第一款量产的处理器．同时．装备龙芯2E的龙梦电脑即将投入市场．这标志着龙芯2代处理器进入产业化进程。 龙芯2从最初型号发展到现在的2E．经历了怎样的变化？龙芯2采用MIPS架构．比起目前的主流CPU性能究竟如何？龙梦电脑能和大家熟悉的主流PC竞争吗？Windows操作系统能否支持龙芯处理器？应用程序软件能否满足大众的需求？这些都是大家关心的问题。[编者按]