基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的開發和應用

謝華 肖青 朱澤睿 劉勇 柳耀勇

一、引言

（一） 研究背景

RISC-V是一種基于精簡指令集計算機（RISC）原理的開源指令集架構（ISA），被定義為一個基礎指令集和若干可選擴展指令集的組合。向量指令集是RISC-V指令集中的一個重要組成部分，它提供了一種高效處理大量數據的方式。

5G Redcap基帶處理器是為了滿足特定應用需求而設計的“輕量化”5G蜂窩物聯網技術。其主要特性包括降低設備能力、精簡設備功能以及降低設備復雜度，從而達到節約成本、縮小尺寸、降低功耗和延長壽命等目標。

（二） 研究目的和意義

在5G Redcap基帶處理器中，基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集的開發和應用具有重要的研究意義。首先，由于RISC-V架構的開源性和易用性，使其在處理器設計領域得到了廣泛的應用；其次，向量指令集可以有效提升處理器在處理大量數據時的性能，這對于需要處理大量數據的5G Redcap基帶處理器來說尤為重要；最后，隨著5G技術的發展，對于滿足特定應用需求的行業，如智慧城市、智能交通等，5G Redcap基帶處理器是一種理想的選擇。因此，基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的開發和應用具有重要的研究價值和實際應用前景。

二、RISC-V架構簡介

RISC-V指令集架構的特點在于其完全開放、指令簡單與模塊化設計，易于擴展。它包含了一系列的基礎指令，包括用于寄存器-寄存器操作的 R 類型指令；用于短立即數和訪存 load 操作的 I 型指令；用于訪存 store 操作的 S 型指令；用于條件跳轉操作的 B 類型指令等。此外，RISC-V還提供了向量擴展和通信擴展等許多附加指令來滿足不同的應用需求。

在現今的操作系統和應用程序運行環境中，RV32G指令集或者RV64G指令集已經足夠滿足基本運行需求。這兩種指令集的主要區別在于寄存器位寬和尋址大小。

RISC-V指令集架構提供了一種硬件設備設計和組裝的方法，同時也為軟件應用提供了一個抽象的硬件環境，使得上層軟件無須特別關注具體的硬件實體。這樣的設計使得RISC-V得到了廣泛的應用和發展。

三、基于RISC-V架構的向量和通信指令集設計

（一） 向量指令集的概念和特點

向量指令集是一種能同時處理多個數據的特殊類型的指令集，這大大提高了處理器在處理大量數據時的性能和效率。其主要特點有如下幾個。

同時對多個數據進行操作：不同于標量處理器一次只能處理一個數據，向量處理器可以實現對一維數組（向量）的直接操作，這使得其在特定工作環境中可以極大地提升性能。

SIMD技術的應用：向量指令集廣泛應用了SIMD技術，即單指令流多數據流技術。通過一條指令來控制多個數據處理單元，從而同時執行多個操作。

可變長度的向量：對于RISC-V指令集來說，其向量長度是可變的，這意味著可以通過VLEN或者SLEN參數來控制。此外，多個vector還可以合并為一個更大vector使用，這是通過VMUL參數來實現的。

向量指令集的設計使得并行計算變得更加容易實現，進而提高了計算效率和性能。

（二） 基于RISC-V架構的向量指令集設計

基于RISC-V架構的向量指令集設計主要涉及一系列的技術和參數。首先，RISC-V指令集本身提供了16位、32位、64位和128位的標準格式，其中，對于向量擴展部分，其向量長度是可變的，這是通過VLEN或者SLEN參數來控制的。此外，多個vector還可以合并為一個更大vector使用，這是通過VMUL參數來實現的。

在設計過程中，需要考慮的關鍵元素包括：向量指令集的參數（例如向量長度、數據類型等）、向量擴展的編程模型、向量元素到向量寄存器的映射、向量指令格式以及具體的向量算數指令等。這些內容共同構成了一個完整的基于RISC-V架構的向量指令集。

值得一提的是，RISC-V的向量擴展被認為比ARM SVE更加優雅簡約。這是因為RISC-V的設計哲學傾向于簡潔和高效，這一點在其向量指令集中得到了很好的體現。

基于RISC-V架構的向量指令集設計是一個復雜的過程，需要對RISC-V指令集本身有深入的理解，同時也需要對應用需求有準確的把握，才能設計出既滿足性能需求，又具有良好可擴展性和效率的向量指令集。

（三） 基于RISC-V架構的通信擴展指令集

通信擴展指令集是一種特殊類型的指令集，其主要目標是提高處理器在處理通信相關的任務時的性能和效率。這些指令集通常包括一些用于數據加密、解密、壓縮、解壓縮、校驗和等操作的指令。

在設計過程中，需要考慮的關鍵元素包括：指令集的定義，確保兼容已有實現的指令編碼；軟件的修改，主要涉及riscv-gnu-toolchain工具包中的GCC和binutils工具；硬件的修改，主要包括對流水線功能部件的改動和擴充，如添加譯碼級對擴展指令的譯碼以及添加執行級對擴展指令執行的支持。

例如，K擴展指令集是RISC-V所定義的標量密碼學擴展指令，支持對常見的加解密算法，包括SHA2-256、SHA2-512、AES以及國密算法SM3和SM4的加速。這種類型的指令集可以顯著提高處理器在處理通信相關的任務時的性能和效率。

基于RISC-V架構的通信擴展指令集設計是一個復雜的過程，需要對RISC-V指令集本身有深入的理解，同時也需要對應用需求有準確的把握。只有這樣，才能設計出既滿足性能需求，又具有良好可擴展性和效率的通信擴展指令集。

四、5G？Redcap基帶處理器的設計和應用

（一） 5G Redcap基帶處理器的需求分析

5G Redcap基帶處理器主要應用于工業無線傳感器、視頻監控和可穿戴設備等領域。這些領域對設備的復雜度/成本、體積和續航等方面有著特殊的要求。例如，這些設備通常需要具有較低的成本和較小的體積，同時也需要具備較長的續航能力。

5G Redcap基帶處理器的需求分析需要考慮多個因素，包括應用場景、性能需求、成本需求等。通過對這些因素的深入理解和分析，可以更好地指導5G Redcap基帶處理器的設計和開發工作。

（二） 基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應用

基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應用，可以有效提升處理器在處理大量數據時的性能以及滿足特定應用需求的無線通信能力。

首先，向量指令集是RISC-V指令集中的一個重要組成部分，它提供了一種高效處理大量數據的方式。在5G Redcap基帶處理器中，由于需要處理大量的數據，因此采用向量指令集可以顯著提高處理器的性能。通過將向量擴展指令和標準函數算子進行對比，確定二者之間不一致的基本操作函數，進而確定加速指令，對數據處理效率進行大幅提升。

其次，通信擴展指令集則可以增強5G Redcap基帶處理器的通信能力。隨著5G技術的發展，對于滿足特定應用需求的行業，如智慧城市、智能交通等，5G Redcap基帶處理器是一種理想的選擇。而通信擴展指令集的應用，則可以進一步提升這些設備的通信性能，滿足更復雜的通信需求。

五、結論與展望

基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應用，可以有效提升處理器在處理大量數據時的性能以及滿足特定應用需求的無線通信能力。隨著5G技術的發展，對于滿足特定應用需求的行業，如智慧城市、智能交通等，5G Redcap基帶處理器是一種理想的選擇。而RISC-V架構由于其開源性和易用性，已經在處理器設計領域得到了廣泛的應用。因此，基于RISC-V架構的向量指令集和通信擴展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應用具有很好的發展前景。

作者單位：芯昇科技有限公司