基于RISC-V架构的开源处理器及SoC研究综述(二)

2 基于RISC-V的开源处理器研究现状

  目前基于RISC-V架构的开源处理器有很多,有标量处理器Rocket,也有超标量处理器BOOM,还有面向嵌入式领域的Z-scalePicoRV32等。

2.1 标量处理器——Rocket

  RocketUCB设计的一款64位、5级流水线、单发射顺序执行处理器,主要特点有:

  •  支持MMU,支持分页虚拟内存,所以可以移植Linux操作系统
  •  具有兼容IEEE 754-2008标准的FPU
  •  具有分支预测功能,具有BTBBranch Prediction Buff)、BHTBranch History Table)、RASReturn Address Stack

  Rocket是采用ChiselConstructing Hardware in an Scala Embedded Language)编写的,这也是UCB设计的一种开源的硬件编程语言,是Scala语言的领域特定应用,可以充分利用Scala的优势,将面向对象(object orientation)、函数式编程(functional programming)、类型参数化(parameterized types)、类型推断(type inference)等概念引入硬件编程语言,从而提供更加强大的硬件开发能力。Chisel除了开源之外,还有一个优势就是使用Chisel编写的硬件电路,可以通过编译得到对应的Verilog设计,还可以得到对应的C++模拟器。Rocket使用Chisel编写,就可以很容易得到对应的软件模拟器。同时,因为Chisel是面向对象的,所以Rocket的很多类可以被其他开源处理器、开源SoC直接使用。

  Rocket已经被流片11次之多,其性能比较参考前文3

2.2 超标量乱序执行处理器——BOOM

  BOOMBerkeley Out-of-Order Machine)是UCB设计的一款64位超标量、乱序执行处理器,支持RV64G,也是采用Chisel编写,利用Chisel的优势,只使用了9000行代码,流水线可以划分为六个阶段:取指、译码/重命名/指令分配、发射/读寄存器、执行、访存、回写。

 借助于ChiselBOOM是可参数化配置的超标量处理器,可配置的参数包括:

  •  取指、译码、提交、指令发射的宽度
  •  重排序缓存ROBRe-Order Buffer)、物理寄存器的大小
  •  取指令缓存、RASBTB、加载、存储队列的深度
  •  有序发射还是无序发射
  •  L1 cache的路数
  •  MSHRsMiss Status Handling Registers)的大小
  •  是否使能L2 Cache

  UCB已经在40nm工艺上对BOOM进行了流片,测试结果如表4所示。可见BOOM与商业产品ARM Cortex-A9的性能要略优,体现在面积小、功耗低。

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2.3 处理器家族——SHAKTI

  SHAKTI[4]是印度理工学院的一个计划,目标是设计一系列适合不同应用环境的、基于RISC-V的开源处理器,以及一些IP核,以便搭建SoC。这些处理器是E-ClassC-ClassI-ClassM-ClassS-ClassH-ClassT-ClassN-Class目前已经开源的是前三,使用Bluespec System Verilog编写。

  •  E-Class:32位标量处理器,3级流水线,支持RISC-VCCompress)扩展,目标是超低功耗处理器。
  •  C-Class:32位或者64位标量处理器,3-8级流水线,支持MMU、具有容错功能、支持RISC-VC扩展,目标也是超低功耗处理器。
  •  I-Class:64位、1-8核,乱序执行处理器,共享L2 Cache、支持双线程、SIMD/VPU,目标是通用处理器。
  •  M-Class:I-Class的增强版,增加了指令发射大小、支持四线程、最高支持16核,目标是通用处理器、低端服务器和移动应用。
  •  S-Class:64位、超标量多线程处理器,支持L3 CacheRapidIOHMCHybrid Memory Cube)、向量处理单元,还有协处理器用于数据库访问、加密算法、机器学习,最高支持64核,目标是通用处理器、服务器。
  •  H-Class:64位、32-128核、支持多线程、顺序或者乱序执行处理器,具有向量处理单元,目标是高性能计算。
  •  T-Class:64或者128位处理器,其中通过为存储器引入Tag,从而增强其安全性。
  •  N-Class:目标是通过自定义的扩展进行网络数据处理。

 

2.4 嵌入式应用处理器——ORCA

  PicoRV32是由VectorBlox公司设计的一款32位标量处理器,目标是应用于嵌入式领域,采用VHDL编写,实现了RV32IM,也可以移除其中的M扩展,也就是移除乘法除法扩展,从而减少芯片占用资源,甚至可以移除与定时器有关的指令,从而仅仅实现RV32E。当将ORCA作为一个软核下载到FPGA上的时候,其资源占用与主频如表5所示。

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2.5 其他开源处理器

1RI5CY

  RI5CY是由苏黎世联邦理工大学和波罗尼亚大学联合设计的一款小巧的4级流水线开源处理器,实现了RV32IC,以及RV32M中乘法指令mul,其目标是作为并行超低功耗处理器项目PULPParallel Ultra Low Power)的处理器核,所以RI5CYRISC-V的基础上增加了许多扩展,包括硬件循环、乘累加、高级算术指令等。采用UMC65nm工艺进行流片,RI5CY主频可以达到654MHz,动态功耗是17.5uW/MHz[6]。采用SystemVerilog编写。

2RIDECORE

  RIDECORE (RIsc-v Dynamic Execution CORE) 是由东京工业大学设计发布的一款超标量乱序执行处理器,实现了RV32IM6级流水线,分别是取指、译码、指令分配、发射、执行、提交,可以同时取两条指令、对两条指令译码、提交两条指令。采用的是Gshare分支预测机制。

3Hwacha

  Hwacha是由UCB开发的一款向量处理器,UCBHwacha作为RISC-V的一个非标准扩展Xhwacha,已经以28nm45nm的工艺流片多次,主频在1.5GHz以上,目前还在研发中,正在修改OpenCL的编译器,以适合HwachaUCB计划以开源的形式发布其代码。

4f32c

f32c是由萨格勒布大学设计发布的32位、5级流水线、标量处理器,原本实现的是MIPS指令集,后来添加实现了RISC-V指令集,处理器包括分支预测、直接映射缓存,同时发布的还有SDRAM控制器、SRAM控制器、视频FrameBufferSPI控制器、UARTGPIOIP,使用VHDL编写代码。使用f32c处理器核,萨格勒布大学发布了FPGArduino项目,该项目将一块FPGA开发板变为一个Arduino板,并且可以使用Arduino IDE进行程序编译下载。

5Z-scale/V-scale

  Z-scaleUCB发布的针对嵌入式环境的32位、3级流水线、单发射标量处理器,实现了RV32IM,指令总线和数据总线都是AHB-LiteZ-scale采用是Chisel编写代码,利用Rocket中的代码,仅增加了604行代码就实现了Z-scaleV-scaleZ-scale对应的Verilog版本。

6sodor

  sodorUCB发布的针对教学的32位开源处理器系列,采用Chisel编码实现,可以很容易的得到对应的C++模拟器。sodor系列有五种处理器,分别是单周期处理器、2级流水线处理器、3级流水线处理器、5级流水线处理器、可执行微码的处理器。

7PicoRV32

  PicoRV32是由RISC-V开发者Clifford Wolf设计发布的一款大小经过优化的开源处理器,实现了RV32IMC,并且根据不同环境可配置为实现RV32ERV32IRV32ICRV32IMRV32IMC。内置一个可选择的中断控制器。其特点是小巧,在Xilinx7系列芯片上占用750-2000LUT,速度可以达到250-400MHzPicoRV32采用Verilog编写代码。

8Tom Thumb

  Tom Thumb是由RISC-V开发者maikmerten设计发布的一款32位、6级流水线开源处理器,实现了RV32I,目标是尽量减少FPGA的资源占用,在Cyclone IV系列FPGA大约占用资源1200 LEs。采用VHDL编写代码。

9FlexPRET

  FlexPRET[7]是由UCB设计发布的5级流水线、多线程处理器,目标使用在实时嵌入式应用中,线程数量可配置为1-8。为了提高嵌入式处理器的资源利用率,每个硬件线程被标记为硬实时(hard real-time thread)或者软实时(soft real-time thread),硬实时线程按照固定的频率被调度,如果当前没有硬实时线程可调度,再调度软实时线程。使用Chisel编写代码。

10YARVI

  YARVIYet Another RISC-V Implementation)是由RISC-V开发者Tommy Thorn设计发布的一款简单的、32位开源处理器,实现了RV32I,使用Verilog作为开发语言。其出发点不在于性能,而是要能够清晰、准确的实现RV32I

(未完待续)

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