基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集在5G Redcap基帶處理器中的開發(fā)和應(yīng)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理的開源指令集架構(gòu)（ISA），被定義為一個(gè)基礎(chǔ)指令集和若干可選擴(kuò)展指令集的組合。向量指令集是RISC-V指令集中的一個(gè)重要組成部分，它提供了一種高效處理大量數(shù)據(jù)的方式。

5G Redcap基帶處理器是為了滿足特定應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的“輕量化”5G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其主要特性包括降低設(shè)備能力、精簡(jiǎn)設(shè)備功能以及降低設(shè)備復(fù)雜度，從而達(dá)到節(jié)約成本、縮小尺寸、降低功耗和延長(zhǎng)壽命等目標(biāo)。

（二） 研究目的和意義

在5G Redcap基帶處理器中，基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的研究意義。首先，由于RISC-V架構(gòu)的開源性和易用性，使其在處理器設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；其次，向量指令集可以有效提升處理器在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的性能，這對(duì)于需要處理大量數(shù)據(jù)的5G Redcap基帶處理器來(lái)說(shuō)尤為重要；最后，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于滿足特定應(yīng)用需求的行業(yè)，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(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集在5G Redcap基帶處理器中的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。

二、RISC-V架構(gòu)簡(jiǎn)介

RISC-V指令集架構(gòu)的特點(diǎn)在于其完全開放、指令簡(jiǎn)單與模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展。它包含了一系列的基礎(chǔ)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(shù)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(zhuǎn)操作的 B 類型指令等。此外，RISC-V還提供了向量擴(kuò)展和通信擴(kuò)展等許多附加指令來(lái)滿足不同的應(yīng)用需求。

在現(xiàn)今的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境中，RV32G指令集或者RV64G指令集已經(jīng)足夠滿足基本運(yùn)行需求。這兩種指令集的主要區(qū)別在于寄存器位寬和尋址大小。

RISC-V指令集架構(gòu)提供了一種硬件設(shè)備設(shè)計(jì)和組裝的方法，同時(shí)也為軟件應(yīng)用提供了一個(gè)抽象的硬件環(huán)境，使得上層軟件無(wú)須特別關(guān)注具體的硬件實(shí)體。這樣的設(shè)計(jì)使得RISC-V得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

三、基于RISC-V架構(gòu)的向量和通信指令集設(shè)計(jì)

（一） 向量指令集的概念和特點(diǎn)

向量指令集是一種能同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)的特殊類型的指令集，這大大提高了處理器在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的性能和效率。其主要特點(diǎn)有如下幾個(gè)。

同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作：不同于標(biāo)量處理器一次只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)，向量處理器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一維數(shù)組（向量）的直接操作，這使得其在特定工作環(huán)境中可以極大地提升性能。

SIMD技術(shù)的應(yīng)用：向量指令集廣泛應(yīng)用了SIMD技術(shù)，即單指令流多數(shù)據(jù)流技術(shù)。通過(guò)一條指令來(lái)控制多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，從而同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。

可變長(zhǎng)度的向量：對(duì)于RISC-V指令集來(lái)說(shuō)，其向量長(zhǎng)度是可變的，這意味著可以通過(guò)VLEN或者SLEN參數(shù)來(lái)控制。此外，多個(gè)vector還可以合并為一個(gè)更大vector使用，這是通過(guò)VMUL參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

向量指令集的設(shè)計(jì)使得并行計(jì)算變得更加容易實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而提高了計(jì)算效率和性能。

（二） 基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集設(shè)計(jì)

基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集設(shè)計(jì)主要涉及一系列的技術(shù)和參數(shù)。首先，RISC-V指令集本身提供了16位、32位、64位和128位的標(biāo)準(zhǔn)格式，其中，對(duì)于向量擴(kuò)展部分，其向量長(zhǎng)度是可變的，這是通過(guò)VLEN或者SLEN參數(shù)來(lái)控制的。此外，多個(gè)vector還可以合并為一個(gè)更大vector使用，這是通過(guò)VMUL參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮的關(guān)鍵元素包括：向量指令集的參數(shù)（例如向量長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類型等）、向量擴(kuò)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(shù)指令等。這些內(nèi)容共同構(gòu)成了一個(gè)完整的基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集。

值得一提的是，RISC-V的向量擴(kuò)展被認(rèn)為比ARM SVE更加優(yōu)雅簡(jiǎn)約。這是因?yàn)镽ISC-V的設(shè)計(jì)哲學(xué)傾向于簡(jiǎn)潔和高效，這一點(diǎn)在其向量指令集中得到了很好的體現(xiàn)。

基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要對(duì)RISC-V指令集本身有深入的理解，同時(shí)也需要對(duì)應(yīng)用需求有準(zhǔn)確的把握，才能設(shè)計(jì)出既滿足性能需求，又具有良好可擴(kuò)展性和效率的向量指令集。

（三） 基于RISC-V架構(gòu)的通信擴(kuò)展指令集

通信擴(kuò)展指令集是一種特殊類型的指令集，其主要目標(biāo)是提高處理器在處理通信相關(guān)的任務(wù)時(shí)的性能和效率。這些指令集通常包括一些用于數(shù)據(jù)加密、解密、壓縮、解壓縮、校驗(yàn)和等操作的指令。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮的關(guān)鍵元素包括：指令集的定義，確保兼容已有實(shí)現(xiàn)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(duì)流水線功能部件的改動(dòng)和擴(kuò)充，如添加譯碼級(jí)對(duì)擴(kuò)展指令的譯碼以及添加執(zhí)行級(jí)對(duì)擴(kuò)展指令執(zhí)行的支持。

例如，K擴(kuò)展指令集是RISC-V所定義的標(biāo)量密碼學(xué)擴(kuò)展指令，支持對(duì)常見的加解密算法，包括SHA2-256、SHA2-512、AES以及國(guó)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(guān)的任務(wù)時(shí)的性能和效率。

基于RISC-V架構(gòu)的通信擴(kuò)展指令集設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要對(duì)RISC-V指令集本身有深入的理解，同時(shí)也需要對(duì)應(yīng)用需求有準(zhǔn)確的把握。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出既滿足性能需求，又具有良好可擴(kuò)展性和效率的通信擴(kuò)展指令集。

四、5G？Redcap基帶處理器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

（一） 5G Redcap基帶處理器的需求分析

5G Redcap基帶處理器主要應(yīng)用于工業(yè)無(wú)線傳感器、視頻監(jiān)控和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的復(fù)雜度/成本、體積和續(xù)航等方面有著特殊的要求。例如，這些設(shè)備通常需要具有較低的成本和較小的體積，同時(shí)也需要具備較長(zhǎng)的續(xù)航能力。

5G Redcap基帶處理器的需求分析需要考慮多個(gè)因素，包括應(yīng)用場(chǎng)景、性能需求、成本需求等。通過(guò)對(duì)這些因素的深入理解和分析，可以更好地指導(dǎo)5G Redcap基帶處理器的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

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

基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應(yīng)用，可以有效提升處理器在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的性能以及滿足特定應(yīng)用需求的無(wú)線通信能力。

首先，向量指令集是RISC-V指令集中的一個(gè)重要組成部分，它提供了一種高效處理大量數(shù)據(jù)的方式。在5G Redcap基帶處理器中，由于需要處理大量的數(shù)據(jù)，因此采用向量指令集可以顯著提高處理器的性能。通過(guò)將向量擴(kuò)展指令和標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)算子進(jìn)行對(duì)比，確定二者之間不一致的基本操作函數(shù)，進(jìn)而確定加速指令，對(duì)數(shù)據(jù)處理效率進(jìn)行大幅提升。

其次，通信擴(kuò)展指令集則可以增強(qiáng)5G Redcap基帶處理器的通信能力。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于滿足特定應(yīng)用需求的行業(yè)，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(kuò)展指令集的應(yīng)用，則可以進(jìn)一步提升這些設(shè)備的通信性能，滿足更復(fù)雜的通信需求。

五、結(jié)論與展望

基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應(yīng)用，可以有效提升處理器在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的性能以及滿足特定應(yīng)用需求的無(wú)線通信能力。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于滿足特定應(yīng)用需求的行業(yè)，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(gòu)由于其開源性和易用性，已經(jīng)在處理器設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，基于RISC-V架構(gòu)的向量指令集和通信擴(kuò)展指令集在5G Redcap基帶處理器中的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。

作者單位：芯昇科技有限公司