RISC-V架構的開源處理器及SoC研究綜述

雷思磊

(酒泉衛星發射中心，酒泉 735000)

RISC-V架構的開源處理器及SoC研究綜述

雷思磊

(酒泉衛星發射中心，酒泉 735000)

RISC-V是一種新的指令集架構，發布以來得到了大量關注，在描述了RISC-V的產生背景、基本設計的基礎上，簡單比較了其與現有的開源指令集架構、商業指令集架構的優劣，然后詳細介紹了現有的采用RISC-V架構的開源處理器、開源SoC，并展望了RISC-V的未來發展。

RISC-V;Rocket;BOOM；SoC

引 言

RISC-V是加州大學伯克利分校(University of California at Berkeley，以下簡稱UCB)設計并發布的一種開源指令集架構，其目標是成為指令集架構領域的Linux，應用覆蓋IoT(Internet of Things)設備、桌面計算機、高性能計算機等眾多領域。其產生是因為UCB的研究人員在研究指令集架構的過程中，發現當前指令集架構存在如下問題[1]：

① 絕大多數指令集架構都是受專利保護的，比如：x86、MIPS、Alpha，使用這些架構需要授權，限制了競爭的同時也扼制了創新。

② 當前的指令集架構都比較復雜，不適合學術研究，而且很多復雜性是因為一些糟糕的設計或者背負歷史包袱所帶來的。

③ 當前的指令集架構都是針對某一領域的，比如：x86主要是面向服務器、ARM主要是面向移動終端，為此對應的指令集架構針對該領域做了大量的領域特定優化，缺乏一個統一的架構可以適用多個領域。

④ 商業的指令集架構容易受企業發展狀況的影響，比如：Alpha架構就隨著DEC公司的被收購而幾近消失。

⑤ 當前已有的各種指令集架構不便于針對特定的應用進行自定義擴展。

為此，UCB的研究人員Krste Asanovic、Andrew Waterman、Yunsup Lee決定設計一種新的指令級架構，并決定以BSD授權的方式開源，希望借此可以有更多創新的處理器產生，有更多的處理器開源，并以此降低電子產品成本[2]。RISC-V自2014年正式發布以來，受到了包括谷歌、IBM、Oracle等在內的眾多企業,以及包括劍橋大學、蘇黎世聯邦理工大學、印度理工學院、中國科學院在內的眾多知名學府與研究機構的關注和參與，圍繞RISC-V的生態環境逐漸完善，并涌現了眾多開源處理器及SoC采用RISC-V架構，這些處理器既有標量處理器，也有超標量處理器，既有單核處理器，也有多核處理器。本文簡單介紹RISC-V架構的基本設計，并詳細描述目前采用RISC-V架構的開源處理器與SoC。

1 RISC-V簡介

1.1 RISC-V的基本設計

RISC-V是一個典型三操作數、加載-存儲形式的RISC架構，包括3個基本指令集和6個擴展指令集，如表1所列，其中RV32E是RV32I的子集，不單獨計算。

表1 RISC-V的指令集組成

基本指令集的名稱后綴都是I，表示Integer，任何一款采用RISC-V架構的處理器都要實現一個基本指令集，根據需要，可以實現多種擴展指令集，例如：如果實現了RV32IM，表示實現了32位基本指令集和乘法除法擴展指令集。如果實現了RV32IMAFD，那么可以使用RV32G來表示，表示實現了通用標量處理器指令集。本文只介紹RV32I的基本情況。

RV32I指令集有47條指令，能夠滿足現代操作系統運行的基本要求，47條指令按照功能可以分為如下幾類:

① 整數運算指令,實現算術、邏輯、比較等運算。

② 分支轉移指令,實現條件轉移、無條件轉移等運算，并且沒有延遲槽。

③ 加載存儲指令,實現字節、半字、字的加載和存儲操作，采用的都是寄存器相對尋址方式。

④ 控制與狀態寄存器訪問指令，實現對系統控制與狀態寄存器的原子讀-寫、原子讀-修改、原子讀-清零等操作。

⑤ 系統調用指令，實現系統調用、調試等功能。

1.2 RISC-V的優勢

1.2.1 與開源指令集架構比較

在RISC-V發布之前，實際上已經有幾種開源指令級架構，包括SPARC V8、OpenRISC，其中SUN發布的開源多核多線程處理器OpenSparcT1、OpenSparcT2，以及歐空局的LEON3采用的就是SPARC V8，OpenRISC也有同名的開源處理器，RISC-V與前兩者的比較如表2所列。此外，OpenRISC的許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動都必須開源，而RISC-V的許可證是較為寬松的BSD License授權。

表2 RISC-V與SPARC V8、OpenRISC的比較[2]

1.2.2 與商業指令集架構比較

UCB的研究人員設計了一款采用RISC-V指令集架構的開源處理器Rocket，并且成功流片了11次，其中采用臺積電40 nm工藝時的性能，與采用同樣工藝的、都是標量處理器的ARM Cortex-A5的性能對比如表3所列，可見Rocket占用面積更小，且功耗更低，性能更優。

表3 ARM Cortex-A5與采用RISC-V指令集架構的Rocket比較[2]

2 基于RISC-V的開源處理器研究現狀

2.1 標量處理器——Rocket

Rocket是UCB設計的一款64位、5級流水線、單發射順序執行處理器，主要特點有：支持MMU，支持分頁虛擬內存，所以可以移植Linux操作系統；具有兼容IEEE 754-2008標準的FPU；具有分支預測功能，具有BTB(Branch Prediction Buff)、BHT(Branch History Table)、RAS(Return Address Stack)。

Rocket是采用Chisel(Constructing Hardware in an Scala Embedded Language)編寫的，這也是UCB設計的一種開源的硬件編程語言，是Scala語言的領域特定應用，可以充分利用Scala的優勢，將面向對象(object orientation)、函數式編程(functional programming)、類型參數化(parameterized types)、類型推斷(type inference)等概念引入硬件編程語言，從而提供更加強大的硬件開發能力。Chisel除了開源之外，還有一個優勢就是使用Chisel編寫的硬件電路，可以通過編譯得到對應的Verilog設計，還可以得到對應的C++模擬器。Rocket使用Chisel編寫，就可以很容易得到對應的軟件模擬器。同時，因為Chisel是面向對象的，所以Rocket的很多類可以被其他開源處理器、開源SoC直接使用。

2.2 超標量亂序執行處理器——BOOM

BOOM(Berkeley Out-of-Order Machine)是UCB設計的一款64位超標量、亂序執行處理器，支持RV64G，也是采用Chisel編寫，利用Chisel的優勢，只使用了9 000行代碼，流水線可以劃分為6個階段：取指、譯碼/重命名/指令分配、發射/讀寄存器、執行、訪存、回寫。

借助于Chisel，BOOM是可參數化配置的超標量處理器，可配置的參數包括：

① 取指、譯碼、提交、指令發射的寬度。

② 重排序緩存ROB(Re-Order Buffer)、物理寄存器的大小。

③ 取指令緩存、RAS、BTB、加載、存儲隊列的深度。

④ 有序發射還是無序發射。

⑤ L1 Cache的路數。

⑥ MSHRs(Miss Status Handling Registers)的大小。

⑦ 是否使能L2 Cache。

UCB已經在40 nm工藝上對BOOM進行了流片，測試結果如表4所列。可見BOOM與商業產品ARM Cortex-A9的性能要略優，體現在面積小、功耗低。

表4 BOOM與ARM Cortex-A9的性能對比[3]

2.3 處理器家族——SHAKTI

SHAKTI[4]是印度理工學院的一個計劃，目標是設計一系列適合不同應用環境的、基于RISC-V的開源處理器，以及一些IP核，以便搭建SoC。這些處理器是E-Class、C-Class、I-Class、M-Class、S-Class、H-Class、T-Class、N-Class，目前已經開源的是前三個，使用Bluespec System Verilog編寫。

E-Class：32位標量處理器，3級流水線，支持RISC-V的C(Compress)擴展，目標是超低功耗處理器。

I-Class：64位、1～8核，亂序執行處理器，共享L2 Cache、支持雙線程、SIMD/VPU，目標是通用處理器。

M-Class：I-Class的增強版，增加了指令發射大小、支持四線程、最高支持16核，目標是通用處理器、低端服務器和移動應用。

S-Class：64位、超標量多線程處理器，支持L3 Cache、RapidIO、HMC(Hybrid Memory Cube)、向量處理單元，還有協處理器用于數據庫訪問、加密算法、機器學習，最高支持64核，目標是通用處理器、服務器。

H-Class：64位、32～128核、支持多線程、順序或者亂序執行處理器，具有向量處理單元，目標是高性能計算。

T-Class：64或者128位處理器，其中通過為存儲器引入Tag，從而增強其安全性。

N-Class：目標是通過自定義的擴展進行網絡數據處理。

2.4 嵌入式應用處理器——ORCA

PicoRV32是由VectorBlox公司設計的一款32位標量處理器，目標是應用于嵌入式領域，采用VHDL編寫，實現了RV32IM，也可以移除其中的M擴展，也就是移除乘法除法擴展，從而減少芯片占用資源，甚至可以移除與定時器有關的指令，從而僅僅實現RV32E。當ORCA作為一個軟核下載到FPGA上的時候，其資源占用與主頻如表5所列。

盡管PPP項目有其獨特的優勢，但其在智慧城市領域的實際應用中實現建設落地的并不多，依舊處于起步建設階段。PPP模式的運營周期主要分為識別認證、準備材料、采購落實、執行方針和移交五個階段。而目前根據政府和社會資本合作（PPP）綜合信息平臺了解，智慧城市PPP項目有累計86個依舊處于識別認證時期，占總比例的53.4%。而在歷經三個階段考驗后，停滯于執行方針階段的項目累計達到24個，占比14.9%。其很大一部分原因是由于國內尚未出臺針對PPP模式的專項稅收政策，因此在智慧城市的PPP項目推進過程中面臨諸多稅收不確定性，例如財政不同的重復征稅、優惠政策覆蓋面有限等。

表5 ORCA不同配置時的資源占用與主頻[5](以Altera's Cyclone IV為目標FPGA)

2.5 其他開源處理器

(1) RI5CY

RI5CY是由蘇黎世聯邦理工大學和波羅尼亞大學聯合設計的一款小巧的4級流水線開源處理器，實現了RV32IC以及RV32M中乘法指令mul，其目標是作為并行超低功耗處理器項目PULP(Parallel Ultra Low Power)的處理器核，所以RI5CY在RISC-V的基礎上增加了許多擴展，包括硬件循環、乘累加、高級算術指令等。采用UMC的65 nm工藝進行流片，RI5CY主頻達到654 MHz，動態功耗是17.5 μW/MHz[6],采用SystemVerilog編寫。

(2) RIDECORE

RIDECORE (RIsc-v Dynamic Execution CORE)是由東京工業大學設計發布的一款超標量亂序執行處理器，實現了RV32IM，6級流水線分別是取指、譯碼、指令分配、發射、執行、提交，可以同時取兩條指令、對兩條指令譯碼、提交兩條指令,采用的是Gshare分支預測機制。

(3) Hwacha

Hwacha是由UCB開發的一款向量處理器，UCB將Hwacha作為RISC-V的一個非標準擴展Xhwacha，已經以28 nm和45 nm的工藝流片多次，主頻在1.5 GHz以上，目前還在研發中，正在修改OpenCL的編譯器，以適合Hwacha，UCB計劃以開源的形式發布其代碼。

(4) f32c

f32c是由薩格勒布大學設計發布的32位、5級流水線、標量處理器，原本實現的是MIPS指令集，后來添加實現了RISC-V指令集，處理器包括分支預測、直接映射緩存，同時發布的還有SDRAM控制器、SRAM控制器、視頻FrameBuffer、SPI控制器、UART、GPIO等IP，使用VHDL編寫代碼。使用f32c處理器核，薩格勒布大學發布了FPGArduino項目，該項目將一塊FPGA開發板變為一個Arduino板，并且可以使用Arduino IDE進行程序編譯下載。

(5) Z-scale/V-scale

Z-scale是UCB發布的針對嵌入式環境的32位、3級流水線、單發射標量處理器，實現了RV32IM，指令總線和數據總線都是AHB-Lite。Z-scale采用是Chisel編寫代碼，利用Rocket中的代碼，僅增加了604行代碼就實現了Z-scale。V-scale是Z-scale對應的Verilog版本。

(6) sodor

sodor是UCB發布的針對教學的32位開源處理器系列，采用Chisel編碼實現，可以很容易的得到對應的C++模擬器。sodor系列有5種處理器，分別是單周期處理器、2級流水線處理器、3級流水線處理器、5級流水線處理器、可執行微碼的處理器。

(7) PicoRV32

PicoRV32是由RISC-V開發者Clifford Wolf設計發布的一款大小經過優化的開源處理器，實現了RV32IMC，并且根據不同環境可配置為實現RV32E、RV32I、RV32IC、RV32IM、RV32IMC。內置一個可選擇的中斷控制器,其特點是小巧，在Xilinx7系列芯片上占用750～2 000個LUT，速度可以達到250～400 MHz。PicoRV32采用Verilog編寫代碼。

(8) Tom Thumb

Tom Thumb是由RISC-V開發者Maikmerten設計發布的一款32位、6級流水線開源處理器，實現了RV32I，目標是盡量減少FPGA的資源占用，在Cyclone IV系列FPGA上大約占用資源1200 LEs,采用VHDL編寫代碼。

(9) FlexPRET

FlexPRET[7]是由UCB設計發布的5級流水線、多線程處理器，目標是使用在實時嵌入式應用中，線程數量可配置為1～8。為了提高嵌入式處理器的資源利用率，每個硬件線程被標記為硬實時(hard real-time thread)或者軟實時(soft real-time thread)，硬實時線程按照固定的頻率被調度，如果當前沒有硬實時線程可調度，再調度軟實時線程。使用Chisel編寫代碼。

(10) YARVI

YARVI(Yet Another RISC-V Implementation)是由RISC-V開發者Tommy Thorn設計發布的一款簡單的、32位開源處理器，實現了RV32I，使用Verilog作為開發語言。其出發點不在于性能，而是要能夠清晰、準確地實現RV32I。

3 基于RISC-V的開源SoC研究現狀

3.1 Rocket-Chip

UCB為了方便用戶學習，同時也為了便于重復使用已設計好的硬件模塊，在GitHub上建立了Rocket-Chip Generator的項目，其中包括了Chisel、GCC、Rocket處理器，以及圍繞Rocket的一系列總線單元、外設、緩存等，并且采用了參數化的配置方法，從而可以方便地創建不同性能要求的基于Rocket處理器的SoC。采用Chisel編寫，主要的子模塊如下:

① Chisel：UCB設計的開源硬件編程語言。

② Hardfloat：參數可配置的、兼容IEEE 754-2008標準的浮點單元。

③ Riscv-tools：開發工具，包括GCC、Newlib，以及移植的Linux。

④ Rocket：Rocket處理器，包括L1 Cache。

⑤ Uncore：實現了需要與Rocket緊密連接的功能單元，比如L2 Cache、L1 Coherence Hub等。

⑥ Juntions：實現了不同協議的接口之間的轉換。

⑦ Rocketchip：頂層模塊，同時也實現了內部總線TileLink向外部總線AXI或者AHB的轉換。

前文介紹的BOOM、Z-scale都可以通過配置Rocket-Chip的不同參數得到。

3.2 LowRISC

LowRISC是由劍橋大學為主的一些研發人員成立的非營利性組織，主要是設計發布基于RISC-V指令集的64位開源SoC，其成員有樹莓派的合作者，目標是希望將設計的SoC做成像樹莓派那樣價格便宜、功能豐富、擁有大量用戶的開源硬件。LowRISC發布的SoC的名稱也是LowRISC，是在Rocket-Chip的基礎上改進開發的，采用System Verilog編寫改進部分的代碼。主要特點是：

① Tagged Memory。給每一個存儲位置都增加了一個Tag，目前是雙字(64位)對應一個Tag(4位)，目的是防止控制流劫持攻擊，同時也有其他的一些用處，比如：垃圾回收、設置watchpoint等。為了實現Tagged Memory，LowRISC為RISC-V增加了兩條指令用來讀寫Tag。2015年4月發布的0.1版本中具有該功能。

② Untethered。早期的Rocket-Chip需要依賴于一個通用處理器的協助才能夠啟動，才能夠訪問串口、網口、SD卡等外設，Untethered LowRISC通過實現(Memory mapping I/O)、片上NASTI interconnect等功能，解決了上述問題。2015年11月發布的0.2版本中具有該功能。

③ Trace Debugging。引入了Open SoC Debug，支持Trace Debugging，可以收集指令執行記錄，便于離線或者在線分析。2016年7月發布的0.3版本中具有該功能。

3.3 PULPino

PULPino是蘇黎世聯邦理工大學和波羅尼亞大學聯合發布的基于RISC-V的開源處理器，其處理器核RI5CY在前文已述，蘇黎世聯邦理工大學和波羅尼亞大學本來設計的項目是PULP，這是一個多核SoC項目，考慮到這個項目太復雜，有許多IP、自定義工具集，不方便開源，所以開發者決定先開源一個單核SoC項目，即PULPino。PULPino直接使用了PULP項目的許多IP。

PULPino具有一個AXI互連總線，另外還有一個APB總線，用來連接低速外設，比如：GPIO、UART、I2C控制器、SPI Master控制器等。調試模塊支持Advanced Debug Unit。PULPino包括一個Boot ROM，其中可以寫入BootLoader，從而實現在啟動的時候從外部Flash讀入程序并執行。

3.4 RISC-V VHDL

RISC-V VHDL是俄羅斯的GNSS Sensor公司發布的基于Rocket的開源SoC，其前身是莫斯科物理技術學院的一個項目。該項目的處理器核直接用的是Rocket，可以配置為只有L1 Cache，也可以配置為包括L2 Cache，在此基礎上，提供了大量的IP核，采用類似LEON3的GRLIB庫的方式，所有的IP核都是即插即用，RISC-V VHDL提供了一個AXI總線，IP核都掛載在該總線上。IP核包括：UART、GPIO、中斷控制器、以太網控制器，此外還支持DSU(Debug Support Unit)，均采用VHDL編寫代碼。RISC-V VHDL中大多數IP核都是開源的，唯一商業的是GNSSLIB，這是一個與定位導航有關的庫，也是RISC-V VHDL的特色。

結 語

RISC-V的發展十分迅速，除了前文已述的基于RISC-V的開源處理器、開源SoC大量涌現，還有很多的商用處理器也計劃采用RISC-V指令集架構，比如PulSAR[8]，采用的是一個異構多處理器結構，其中包括2個標量處理器Rocket，還包括兩個超標量亂序執行處理器BOOM。RISC-V的發展一方面得益于自身設計吸取了RISC接近40年的經驗教訓，使得架構設計更加合理;另一方面得益于日漸成熟的軟件生態，UCB提供了針對RISC-V的開源編譯器GCC、LLVM，還提供了開源仿真器Spike、QEMU，社區還移植了FreeBSD、Debian、Gentoo、Yocto、Genode等操作系統。

[1] A Waterman，Y Lee，DA Patterson， et al.The RISC-V Instruction Set Manual, Volume I: User-Level ISA[J].Eecs Department,2011, 7(9):475.

[2] Krste Asanovic, David Patterson.The Case for Open Instruction Sets[J].MICROPROCESSOR report, 2014(8): 1-7.

[3] Celio, Christopher and Patterson, David A.and Asanovic, Krste, The Berkeley Out-of-Order Machine (BOOM): An Industry-Competitive, Synthesizable, Parameterized RISC-V Processor[R].EECS Department, University of California, Berkeley, June 2015.

Research on Open Source Processor and SoC Based on RISC-V

Lei Silei

(Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 735000,China)

RISC-V is a new instruction set architecture(ISA),and it gets a lot of attention since the release.On the basis of describing the background and the basic design of RISC-V,the advantages and disadvantages with the existing open-source instruction set architecture and commercial instruction set architecture are compared.Then the existing open source processor and SoC using RISC-V architecture are described.Finally,the future development of RISC-V is prospected.

RISC-V;Rocket;BOOM；SoC

TP368.1

A