应用级兼容RISC-V的混合指令集处理器.pdf
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1、 应用级兼容R I S C-V的混合指令集处理器*孙彩霞,隋兵才,邓 全,郑 重,倪晓强,王永文(国防科技大学计算机学院,湖南 长沙 4 1 0 0 7 3)摘 要:指令集架构的改变会导致处理器硬件平台发生变化,面向旧硬件平台编译的二进制应用程序将无法在新的硬件平台上继续运行。提出了一种应用级兼容多种指令集的混合指令集架构,基于该混合指令集架构的处理器可原生运行多种指令集的应用,能有效避免程序开发移植的重复工作或二进制翻译执行的性能损失。在自主研发的一款处理器基础上实现了应用级兼容R I S C-V的混合指令集处理器。与单一指令集相比,应用级支持2种指令集带来的硬件开销仅增加了0.4 5%。F
2、 P GA原型系统成功启动了面向混合指令集架构移植的操作系统,并能正确运行2种指令集的应用,验证了混合指令集架构思想的可行性。R I S C-V指令集下,C o r e m a r k性能为5.5 8/MH z,S P E C i n t 2 0 0 6的性能为8.4 4/GH z,S P E C f p 2 0 0 6的性能为1 0.7 5/GH z。关键词:混合指令集;R I S C-V;处理器;应用级;兼容中图分类号:T P 3 0 3文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 8.0 0 3A h y b r
3、 i d I S A p r o c e s s o r c o m p a t i b l e w i t hR I S C-V a t a p p l i c a t i o n l e v e lS UN C a i-x i a,S U I B i n g-c a i,D E NG Q u a n,Z HE NG Z h o n g,N I X i a o-q i a n g,WANG Y o n g-w e n(C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a
4、l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,C h i n a)A b s t r a c t:C h a n g e s i n t h e i n s t r u c t i o n s e t a r c h i t e c t u r e w i l l r e s u l t i n c h a n g e s i n t h e p r o c e s s o r h a r d w a r e p l a t f o r m,a n d b i n
5、a r y a p p l i c a t i o n s c o m p i l e d f o r t h e o l d h a r d w a r e p l a t f o r m w i l l n o t b e a b l e t o c o n t i n u e r u n n i n g o n t h e n e w h a r d w a r e p l a t f o r m.I n t h i s p a p e r,a h y b r i d i n s t r u c t i o n s e t a r c h i t e c t u r e c o m p
6、a t i b l e w i t h m u l t i p l e i n s t r u c t i o n s e t s a t a p p l i c a t i o n l e v e l i s p r o p o s e d,a n d t h e p r o c e s s o r b a s e d o n t h e h y b r i d i n-s t r u c t i o n s e t a r c h i t e c t u r e c a n n a t i v e l y r u n m u l t i p l e i n s t r u c t i o
7、n s e t a p p l i c a t i o n s,w h i c h c a n e f f e c t i v e l y a-v o i d t h e r e p e t i t i v e w o r k o f p r o g r a m d e v e l o p i n g a n d p o r t i n g o r t h e p e r f o r m a n c e l o s s o f t h e b i n a r y t r a n s l a-t i o n e x e c u t i o n.B a s e d o n a s e l f-d
8、e v e l o p e d p r o c e s s o r,a h y b r i d i n s t r u c t i o n s e t p r o c e s s o r c o m p a t i b l e w i t h R I S C-V a t a p p l i c a t i o n l e v e l i s i m p l e m e n t e d.C o m p a r e d w i t h a s i n g l e i n s t r u c t i o n s e t,t h e h a r d w a r e o v e r-h e a d o
9、f s u p p o r t i n g f o r t w o i n s t r u c t i o n s e t s a t a p p l i c a t i o n l e v e l i s o n l y i n c r e a s e d b y 0.4 5%.T h e F P GA p r o t o t y p e s y s t e m s u c c e s s f u l l y b o o t s t h e o p e r a t i n g s y s t e m p o r t e d t o t h e h y b r i d i n s t r u
10、c t i o n s e t a r c h i t e c-t u r e,a n d c a n c o r r e c t l y r u n t h e a p p l i c a t i o n b a s e d o n e a c h i n s t r u c t i o n s e t,w h i c h v e r i f i e s t h e f e a s i b i l i t y o f t h e h y b r i d i n s t r u c t i o n s e t a r c h i t e c t u r e i d e a.U n d e r
11、R I S C-V i n s t r u c t i o n s e t,t h e p r o c e s s o r a c h i e v e s 5.5 8/MH z f o r C o r e m a r k,8.4 4/GH z f o r S P E C i n t 2 0 0 6 a n d 1 0.7 5/GH z f o r S P E C f p 2 0 0 6.K e y w o r d s:h y b r i d I S A;R I S C-V;p r o c e s s o r;a p p l i c a t i o n l e v e l;c o m p a t
12、 i b l e*收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 8;修回日期:2 0 2 2-0 9-3 0基金项目:高层次科技创新人才工程入选自主科研项目(2 2-T D R C J H-0 2-0 0 6);国家国防科技工业局国防科技重点实验室稳定支持项目(WD Z C 2 0 2 1 5 2 5 0 1 1 1);“十四五”全军共用信息系统装备预先研究项目(3 1 5 1 3 0 1 0 1 0 3)通信作者:邓全(d e n g q u a n 1 2n u d t.e d u.c n)通信地址:4 1 0 0 7 3 湖南省长沙市国防科技大学计算机学院A d d r e s s:C o l
13、l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,H u n a n,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5
14、卷第8期2 0 2 3年8月 V o l.4 5,N o.8,A u g.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 8-1 3 4 7-0 71 引言受商业指令集架构的授权限制、指令集架构的消亡、新指令集架构的出现等因素影响,处理器的指令集架构会出现被动更换或主动换代,从而导致硬件平台发生变化。面向旧硬件平台编译的二进制应用程序无法在新的硬件平台上继续运行,需要进行软件移植或再次开发。二进制翻译技术可以解决二进制应用程序的跨平台兼容运行问题,但是应用程序执行速度会变慢。本文针对二进制应用程序的跨平台兼容运行提出了一种混合指令集架构,基于该架构的处理器可原生运
15、行多种指令集架构的二进制应用,从而避免了软件开发移植的重复工作或二进制翻译执行的性能损失。本文在自主研发的某款处理器基础上,实现了应用级兼容R I S C-V的混合指令集处理器硬件原型,验证了混合指令集架构思想的可行性。2 相关研究为了在更换指令集架构时处理器依然能执行基于原有指令集架构的二进制应用程序,同时避免软件移植开销大、移植困难的问题,可采用二进制翻译、异构多核处理器等多种方法。二进制翻译技术能够把基于一种指令集架构的二进制程序翻译到基于另一种指令集架构的处理器上执行,从而实现不同指令集架构的处理器之间二进制应用程序的相互移植。二进制翻译分为3类:解释执行、静态翻译和动态翻译1。早期的
16、二进制翻译系统多采用解释执行和静态翻译,其中最具代表性的是D E C公司于1 9 9 6年研发的F X!3 2系统2,3,实现了A l p h a硬件平台上x 8 6应用程序的二进制兼容运行,翻译效率为4 0%5 0%。从H P公司的A r i e s系统开始,动态翻译逐渐取代静态翻译。A r i e s4是由H P公司于1 9 9 9年研发的,完成了从P A-R I S C到I A-6 4的翻译。龙芯的二进制翻译采用软硬件结合的方法,软件层面包括3个二进制翻译系统L ATM(L AT f r o m M I P S)、L AT A(L AT f r o m A RM)和L AT X(L AT
17、 f r o m x 8 6),硬件层面支持自定义的l o o n g B T指令集,在x 8 6/A RM到l o o n g I S A的二进 制翻译时提 供支持,利用二进制翻译系统作为中间层,通过软硬件协同提升效率。相比纯软件的二进制翻译方法其运行速度有较大提升,x 8 6的翻译效率为7 0%8 0%,A RM的翻译效率约为9 0%。二进制翻译技术存在以下问题:(1)如果原有指令集架构很复杂,那么二进制翻译也会非常复杂,如果几十万条指令中有一条翻译错误,那么就会导致程序执行错误;(2)原有二进制程序执行前需要先进行翻译,并且可能由于新的指令集架构没有对应功能指令,导致原有的一条指令被翻译
18、成多条指令执行,这些都会导致应用程序执行速度变慢。微软公司在其专利文献5中提出,将多个分别实现了一种指令集架构的处理器核集成在一起构成多核处理器。采用这种方法支持多种指令集架构,要将分别支持一种指令集架构的多个处理器核集成在一起,硬件开销大,而且这种方法并未涉及指令集架构层面的修改,仅是集成了不同指令集架构的处理器核。台湾威盛电子股份有限公司在专利文献6中描述了一个既能执行x 8 6指令又能执行A RM指令的异构指令集处理器的实现。该专利中的异构指令集处理器在系统级和应用级全栈支持2种指令集,需要同时维护x 8 6指令集和A RM指令集的所有架构状态,处理器硬件开销大;并且该专利仅是在处理器硬
19、件设计层面提出如何同时支持2种指令集架构,与之前提到的微软的多核处理器支持多指令集的方法不同,只是将2种完整的指令集架构实现在同一个处理器核中,同样也未涉及到指令集架构层面的修改。3 混合指令集架构的基本思想本文混合指令集架构的基本思想是:根据用户需求确定要支持的N(N1)种指令集架构,假设分别为A r c h_1、A r c h_2、A r c h_N;在系统级(这里泛指应用级以上的所有特权级别)只支持N种指令集架构中的一种,可以是A r c h_1、A r c h_2、A r c h_N中的任何一种,假设为A r c h_n,在应用级则支持全部N种指令集架构。在应用级,混合指令集架构中的每
20、种指令集架构分别遵循各自的应用级架构规范,以实现应用程序的兼容;在特权级,混合指令集架构遵循A r c h_n的系统级架构规范,并使用A r c h_n的系统级特性控制应用级下每种指令集架构的行为。混合指令集架构支持的一种软件栈如图1所示。A r c h_1 A P PA r c h_N A P P分别为操作系统负责调度的N种指令集架构的二进制应用程序。A B I_A r c h_1包含应用级可见的A r c h_1的8431C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e 计算机工程与科学 2 0 2 3,4 5(8)指令集和一组与操作系
21、统打交道的系统调用;A B I_A r c h_2包含应用级可见的A r c h_2的指令集和一组与操作系统打交道的系统调用;以此类推,A B I_A r c h_N包含应用级可见的A r c h_N的指令集和一组与操作系统打交道的系统调用。任意一个兼容A r c h_i(A r c h_iA r c h_1,A r c h_2,A r c h_N)指令集架构规范的二进制应用程序都可以不经修改地在基于该混合指令集架构的处理器的应用级执行。图1中A B I:A p p l i c a t i o n B i n a r y I n t e r f a c e;S B I:S u p e r v
22、i s o r B i n a r y I n t e r f a c e;S E E:S u p e r v i s o r E x e c u t i o n E n v i r o n m e n t。F i g u r e 1 A s o f t w a r e s t a c k s u p p o r t e d b y t h e h y b r i d I S A a r c h i t e c t u r e图1 混合指令集架构支持的软件栈理论上,应用级支持的指令集架构类型和数量是没有任何限制的,但支持2种类型就能完成指令集架构的更新换代,因此本文选择2种指令集进行混合指令集
23、架构思想的可行性验证。4 应用级兼容R I S C-V的混合指令集处理器设计4.1 H-R V混合指令集架构规范开放指令集架构R I S C-V因其开源、免费、模块化和可扩展等特点受到广泛关注7,8。本文选择在项目组自主研发的处理器上实现R I S C-V指令集架构的应用级兼容,为便于描述,将该处理器原有的指令集架构叫做M y A r c h,应用级兼容M y-A r c h和R I S C-V的混合指令集架构叫做H-R V。4.1.1 H-R V架构规范定义指令集架构规范除了定义处理器所能执行的指令外,还有异常模型、整数寄存器和浮点寄存器、系统寄存器和存储模型等对处理器行为进行明确定义的多个
24、方面。H-R V采用M y A r c h的异常级模型,如图2所示,包含应用级A P P、操作系统级O S和虚拟机监控级H y p e r v i s o r,操作系统级和虚拟机监控级只支持M y A r c h指令集架构,遵循M y A r c h系统级架构规范,应用级支持M y A r c h和R I S C-V 2种指令集架构,分别遵循各自的应用级架构规范。F i g u r e 2 E x c e p t i o n m o d e l f o r H-R V图2 H-R V的异常级模型为了实现2种指令集架构应用级规范的深度融合,H-R V在寄存器方面进行如下定义:(1)H-R V定义
25、3 2个6 4位的整数寄存器和3 2个6 4位的浮点寄存器,这3 2个整数寄存器和3 2个浮点寄存器既被M y A r c h指令集架构使用又被R I S C-V指令集架构使用,在M y A r c h下使用时遵循M y A r c h架构规范,在R I S C-V下使用时遵循R I S C-V架构规范。(2)H-R V定义一个6 4位的程序计数器P C,这个6 4位的程序计数器既被M y A r c h指令集架构使用又被R I S C-V指令集架构使用,且根据M y-A r c h架构规范和R I S C-V架构规范,在2种指令集架构下:指令不能显式写程序计数器P C,只有在执行分支指令、异
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