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LLVM的RISC-V自定义扩展指令支持方法

RISC-V指令集架构具有模块化、可扩展等特性.基于RISC-V架构的处理器,可以在整数指令集的基础之上,有选择地支持官方标准指令集扩展,以及非标准的用户自定义指令集扩展.这也意味着,对于每个新增的自定义扩展指令集,用户都需要自己在编译工具链中实现相应支持.通过分析LLVM编译框架,研究RISC-V自定义扩展指令支持的通用方法,并以玄铁C910自定义指令集为例进行实现和验证.为基于LLVM基础架构的RISC-V自定义指令集扩展研究与实现提供借鉴.     

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, 设计实现了一种基于RISC-V处理器的服务器管理控制器FPGA原型系统. 该系统基于Xilinx的Virtex Ultra Scale 440 FPGA进行了原型构建, 完成了实际应用场景下的功能测试和CoreMark测试, 结果显示处理器性能提升了26％, 优于同级别的ARM核心, 系统功能符合设计预期. 此外, 该原型系统基于OpenBMC实现了IPMI等专用管理控制协议, 基本功能验证通过, 证明了通过RISC-V替换ARM优化SoC架构的可行性.     

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.     

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.     

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.     

嵌入式RISC-V乱序执行处理器的研究与设计

为满足嵌入式设备小面积高性能的需求,设计一种基于开源RISC-V指令集的32位可综合乱序处理器.处理器包括分支预测、相关性处理等关键技术,支持RISC-V基本整数运算、乘除法以及压缩指令集.采用具有顺序单发射、乱序执行、乱序写回等特性的三级流水线结构,运用哈佛体系结构及AHB总线协议,可满足并行访问指令与数据的需求.在...     

RISC-V入门:使用LoFive开发板

引言 继ARM之后,RISC-V很可能是下一个主流的处理器.RISC-V是由RISC-V基金会[1]主导,指令集体系结构免许可证,并且可用于嵌入式处理器和计算机处理器.不过,目前RISC-V相关的开发板为数不多.Elek-tor的作者Tam Hanna决定开发一种低成本的"LoFive"开发板供测试与评估使用.     

面向IoT终端设备的RISC-V微控制器设计与分析

随着通信、芯片等技术的不断发展,以及现在提出的万物互联的概念,物联网将迎来一个大的发展;其中 IoT 终端设备的研究是重中之重.应用于 IoT的终端设备不仅需要在几 mW的功率范围内工作,而且需要灵活的计算能力.这就要求应用于 IoT 终端设备的处理器能实现更高的能效比.本文设计了一款基于 RISC-V 指令集的微控制器,首先详细介绍了该RISC-V 微控制器的微结构、存储子系统和RISC-V 指令集架构;最后在VCS 验证环境中验证了该微控制器的逻辑功能.     

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.     

基于RISC-V的数据安全指令

RISC-V是基于精简指令集原理建立的免费开放指令集架构, 具有完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计等特点. 随着网络高速发展, 安全风险无处不在, 利用RISC-V的可扩展特性是一种非常有效地提升RISC-V设备安全的方式. 因此, 本文针对RISC-V自定义指令的安全能力, 结合可信计算、流密码技术, 设计了简单高效的RISC-V自定义指令, 实现基于可信基的数据安全存储功能, 并依托GNU编译工具链实现对自定义指令的编译支持, 在模拟器上测试应用程序对自定义指令的调用执行. 该指令充分结合可信计算与流密码的安全特性, 可实现较强的安全性.     

基于RISC-V架构的强化学习容器化方法研究

RISC-V作为近年来最热门的开源指令集架构,被广泛应用于各个特定领域的微处理器,特别是机器学习领域的模块化定制.但是,现有的RISC-V应用需要将传统软件或模型在RISC-V指令集上重新编译或优化,故如何能快速地在RISC-V体系结构上部署、运行和测试机器学习框架是一个亟待解决的技术问题.使用虚拟化技术可以解决跨平台...     

RISC-V向量指令集的Compute Library函数库移植

ARM Compute Library是一类针对ARM Cortex-A系列CPU处理器和ARM Mali系列GPU特定优化的软件算法函数库,内部实现了卷积滤波器、卷积神经网络等算法,并且使用Cortex-A CPU NEON、Mali GPU的SIMD技术加速算法运行.RISC-V指令集作为一种开源的指令集,目前发布...     

基于QEMU的高效指令追踪技术

系统模拟器通过模拟处理器、内存、外设等硬件资源创建一个完整的虚拟计算机环境, 支持运行和调试不同架构的软件, 可大大缩短跨架构的软件开发周期. 模拟器的调试模块通常具有指令追踪功能, 可记录程序运行的指令序列以用于进一步分析, 如程序运行时间评估、程序行为模式分析、软硬件联合仿真等. 支持RISC-V架构的主流模拟器QEMU和Spike均具有指令追踪功能, 但其时间和空间开销过大, 在应对规模较大的应用时效率低下. 本文提出了一种基于QEMU的指令追踪技术, 将程序中的基本块、控制流图等静态信息与分支选择等动态信息解耦, 在保证指令序列不失真的同时高效追踪执行序列. 相比QEMU原生实现的指令追踪, 本文提出的指令追踪技术的时间开销平均降低了80%以上, 空间开销平均降低了95%以上. 此外, 本文面向RISC-V架构, 实现了多种场景下的指令序列离线分析, 包括指令分类统计、程序热点标记、行为模式分析等.