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RISC-V處理器生態(tài)建設(shè)的實(shí)踐

智能計(jì)算芯世界 ? 來源:智能計(jì)算芯世界 ? 2023-06-26 10:19 ? 次閱讀

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雖然RISC-V 架構(gòu)還不完善,在諸如安全、虛擬化架構(gòu)、IOMMU/SMMU、中斷控制架構(gòu)、RAS(Reliability,Availability and Serviceability)等方面還剛起步,在代碼密度(code size)、虛擬內(nèi)存管理、原子操作效率等方面也還存在一些缺陷,但這不會妨礙 RISC-V 架構(gòu)的長遠(yuǎn)向好發(fā)展,因?yàn)槠溟_源的本質(zhì)不曾改變。 回顧Linux 內(nèi)核的發(fā)展歷史,在 Linux 內(nèi)核之前,IBM 的 Unix 收費(fèi)操作系統(tǒng)無論在穩(wěn)定性和用戶體驗(yàn)上都是非常成功的,而相比之下剛出道的 Linux 內(nèi)核無論在穩(wěn)定性以及用戶體驗(yàn)上都比較糟糕,但是由于 Linux 內(nèi)核的開源屬性迅速在 5 年時間內(nèi)(1991 年到 1996 年)吸引了超過 350 萬開發(fā)者的使用。 經(jīng)過30年的發(fā)展,Linux 操作系統(tǒng)(基于 Linux 內(nèi)核開發(fā)的各種操作系統(tǒng))已經(jīng)成為世界上最主流的操作系統(tǒng)之一(Windows 主要在桌面機(jī),IOS/安卓主要在智能手機(jī)和平板電腦),無論在服務(wù)器、云計(jì)算以及嵌入式領(lǐng)域基本已是 Linux 內(nèi)核的天下。 RISC-V 和 X86、ARM 的競爭完全是不同維度的競爭,他們?nèi)齻€分別是全球處理器技術(shù)演進(jìn)在不同階段的產(chǎn)物,而基本可以確定的是未來三種架構(gòu)會長期共存,只是應(yīng)用的側(cè)重領(lǐng)域有所不同罷了。

入門級微控制器:E902

玄鐵 E902 采用 2 級極簡流水線并對執(zhí)行效率進(jìn)行了增強(qiáng),典型工作頻率>150MHz,是首款支持硬件安全擴(kuò)展技術(shù)的 RISC-V 處理器??梢詰?yīng)用在對功耗和成本極其敏感的IoT、MCU 等場景。

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E902 處理器采用 2 級流水線結(jié)構(gòu):取指和執(zhí)行。指令取指階段主要負(fù)責(zé)從內(nèi)存中獲取指令;指令執(zhí)行階段主要負(fù)責(zé)指令譯碼、執(zhí)行和回寫。

高能效微控制器:E906

玄鐵 E906 采用 5 級按序流水線,典型工作頻率>1GHz,可選性能優(yōu)異的單精度浮點(diǎn)單元以及標(biāo)量 DSP 計(jì)算單元??梢詰?yīng)用在無線接入、音頻、中高端 MCU、導(dǎo)航等場景。

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E906 處理器采用 5 級流水線結(jié)構(gòu):取指、譯碼、執(zhí)行、內(nèi)存訪問、寫回。 ●取指階段,訪問指令 Cache 或者總線,獲取指令,同時訪問 BTB,發(fā)起 0 延時跳轉(zhuǎn)。 ●譯碼階段,訪問動態(tài)分支預(yù)測器和返回棧,發(fā)起分支的預(yù)測跳轉(zhuǎn),同時進(jìn)行指令譯碼,讀取寄存器堆,處理數(shù)據(jù)相關(guān)性和數(shù)據(jù)前饋。 ●執(zhí)行階段,完成單周期整型計(jì)算指令和多周期乘除法指令的執(zhí)行、存儲/加載指令地址計(jì)算和跳轉(zhuǎn)指令處理。其中,整型計(jì)算包括普通的算術(shù)指令和邏輯指令。 ●內(nèi)存訪問階段,利用執(zhí)行階段產(chǎn)生的存儲/載入指令的目標(biāo)地址訪問數(shù)據(jù) Cache 或者總線。 ●寫回階段,將指令執(zhí)行結(jié)果寫回寄存器堆。 E906 設(shè)計(jì)有片上緊耦合的 IP 接口和多條 AHB-Lite 的總線接口。片上緊耦合的 IP 接口集成矢量中斷控制器(CLIC),支持中斷嵌套。外部中斷源數(shù)量最高可配置 240 個,中斷優(yōu)先級支持 4/8/16/32 級可配置。

計(jì)算增強(qiáng)型微控制器:E907

玄鐵 E907 采用 5 級按序流水線,典型工作頻率>1GHz,是玄鐵 MCU 處理器中的性能最高的處理器核,可選配高性能浮點(diǎn)以及 DSP 計(jì)算單元,同時支持 TCM 擴(kuò)展以及中斷加速技術(shù)以進(jìn)一步提升實(shí)時性??梢詰?yīng)用在語音入口 MCU、TWS、MPU、多模無線接入等場景。

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E907 處理器采用 5 級流水線結(jié)構(gòu):取指、譯碼、執(zhí)行、內(nèi)存訪問、寫回。 ●取指階段,訪問指令 Cache 或者外部總線,獲取指令,同時訪問 BTB,發(fā)起 0 延時跳轉(zhuǎn)。 ●譯碼階段,訪問動態(tài)分支預(yù)測器和返回棧,發(fā)起分支的預(yù)測跳轉(zhuǎn),同時進(jìn)行指令譯碼,讀取寄存器堆,處理數(shù)據(jù)相關(guān)性和數(shù)據(jù)前饋。 ●執(zhí)行階段,完成單周期整型計(jì)算指令和多周期乘除法指令的執(zhí)行、存儲/加載指令地址計(jì)算和跳轉(zhuǎn)指令處理。其中,整型計(jì)算包括普通的算術(shù)指令和邏輯指令。 ●內(nèi)存訪問階段,利用執(zhí)行階段產(chǎn)生的存儲/載入指令的目標(biāo)地址訪問數(shù)據(jù) Cache 或者外部總線。 ●寫回階段,將指令執(zhí)行結(jié)果寫回寄存器堆。 E907 設(shè)計(jì)有片上緊耦合的 IP 接口和兩條主設(shè)備總線接口。片上緊耦合的 IP 接口集成矢量中斷控制器(CLIC),支持中斷嵌套。外部中斷源數(shù)量最高可配置 240 個,中斷優(yōu)先級支持 4/8/16/32 級可配置。

高能效應(yīng)用處理:C906

玄鐵 C906 采用 5-8 級變長流水線,典型工作頻率>1GHz,標(biāo)配內(nèi)存管理單元,可運(yùn)行 Linux 等操作系統(tǒng),并可選性能優(yōu)異的單精度浮點(diǎn)和矢量運(yùn)算單元??梢詰?yīng)用在消費(fèi)類 IPC、多媒體、消費(fèi)類電子等場景。

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C906 核內(nèi)子系統(tǒng)主要包含:指令提取單元(IFU)、指令譯碼單元(IDU)、整型執(zhí)行單元(IU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、可配的矢量執(zhí)行單元(VPU)、存儲載入單元(LSU)、指令退休單元(RTU)、虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)、物理內(nèi)存保護(hù)單元(PMP)、主設(shè)備接口單元(AXI Master IF)等。

兼容 64 位高能效處理:C908

玄鐵 C908 采用 9 級雙發(fā)按序流水線,典型工作頻率>2GHz,通過指令融合技術(shù)進(jìn)一步提升流水線效率,實(shí)現(xiàn)了卓越的能效比。兼容 RVA22 標(biāo)準(zhǔn),同時兼容 RISC-V 最新Vector1.0 標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步提升 AI 算力。

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C908 核內(nèi)子系統(tǒng)主要包含:指令提取單元(IFU)、指令執(zhí)行單元(IEU)、矢量浮點(diǎn)執(zhí)行單元(VFPU)、存儲載入單元(LSU)、虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)和物理內(nèi)存保護(hù)單元(PMP)。

高性能應(yīng)用處理:C910

玄鐵 C910 采用 12 級多發(fā)亂序流水線,典型工作頻率>2.5GHz,是首款實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)的高性能亂序 RISC-V 處理器。采用 3 發(fā)射、8 執(zhí)行的深度亂序執(zhí)行架構(gòu),針對算術(shù)運(yùn)算、內(nèi)存訪問以及多核同步等方面進(jìn)行了增強(qiáng)。

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C910 核內(nèi)子系統(tǒng)主要包含:指令提取單元(IFU)、指令譯碼單元(IDU)、整型執(zhí)行單元(IU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、存儲載入單元(LSU)、指令退休單元(RTU)、虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)和物理內(nèi)存保護(hù)單元(PMP)。 C910 多核子系統(tǒng)包含:數(shù)據(jù)一致性接口單元(CIU)、二級高速緩存、主設(shè)備接口單元、可配置的 AXI4.0 設(shè)備一致性接口(DCP,Device Coherence Port)、平臺級中斷控制器(PLIC)、計(jì)時器和自定義多核單端口調(diào)試框架。

AI 加速引擎:C920

玄鐵 C920 采用 12 級多發(fā)亂序流水線,典型工作頻率>2.5GHz,標(biāo)配單精度浮點(diǎn)單元,并可進(jìn)一步選配高性能亂序矢量運(yùn)算單元。同時具備出色的訪存能力,支持高性能數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)??梢詰?yīng)用在有高并發(fā)算力要求的人工智能自動駕駛等場景。

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C920 核內(nèi)子系統(tǒng)主要包含:指令提取單元(IFU)、指令譯碼單元(IDU)、整型執(zhí)行單元(IU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、矢量執(zhí)行單元(VU)、存儲載入單元(LSU)、指令退休單元(RTU)、虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)和物理內(nèi)存保護(hù)單元(PMP)。 C920 多核子系統(tǒng)包含:數(shù)據(jù)一致性接口單元(CIU)、二級高速緩存、主設(shè)備接口單元、可配置的 AXI4.0 設(shè)備一致性接口(DCP,Device Coherence Port)、平臺級中斷控制器(PLIC)、計(jì)時器和自定義多核單端口調(diào)試框架。

可靠實(shí)時增強(qiáng):R910

玄鐵 R910 用 12 級多發(fā)亂序流水線,典型工作頻率>2.5GHz,同時支持 Cache 以及TCM 存儲架構(gòu),各級片上存儲支持校驗(yàn)糾錯以提升可靠性,可進(jìn)一步選配快速外設(shè)接口以及一致性外設(shè)接口,從而大幅提升系統(tǒng)實(shí)時性??梢詰?yīng)用在對實(shí)時性及算力有高要求的企業(yè)級 SSD,網(wǎng)絡(luò)通信等場景。

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R910 核內(nèi)子系統(tǒng)主要包含:指令提取單元(IFU)、指令譯碼單元(IDU)、整型執(zhí)行單元(IU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、存儲載入單元(LSU)、指令退休單元(RTU)、虛擬內(nèi)存管理單元(MMU)和物理內(nèi)存保護(hù)單元(PMP)。 R910 多核子系統(tǒng)包含:數(shù)據(jù)一致性接口單元(CIU)、二級高速緩存、主設(shè)備接口單元、可配置的快速外設(shè)訪問接口(LLP)、可配置的 APB 主設(shè)備接口(FPP)、可配置的緊耦合內(nèi)存訪問接口(TCMSP)、可配置的 AXI4.0 設(shè)備一致性接口(DCP,Device Coherence Port)、平臺級中斷控制器(PLIC)、計(jì)時器和自定義多核單端口調(diào)試框架。

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原文標(biāo)題:玄鐵RISC-V處理器入門及實(shí)戰(zhàn)

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