【導讀】人工智能、自動(dòng)駕駛汽車(chē)等技術(shù)正迅速發(fā)展，市場(chǎng)對定制可擴展處理器的需求也隨之不斷攀升。RISC-V開(kāi)放標準指令集架構（ISA）以其模塊化設計和協(xié)作社區，引領(lǐng)了處理器設計新潮流，助力實(shí)現技術(shù)愿景。相應的，機器組件、URL、HTML和HTTP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等基礎構件的標準也正隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新而加速發(fā)展。標準RISC-V ISA使開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng )建高效的處理器，同時(shí)節省軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而加快上市步伐。
引言
人工智能、自動(dòng)駕駛汽車(chē)等技術(shù)正迅速發(fā)展，市場(chǎng)對定制可擴展處理器的需求也隨之不斷攀升。RISC-V開(kāi)放標準指令集架構（ISA）以其模塊化設計和協(xié)作社區，引領(lǐng)了處理器設計新潮流，助力實(shí)現技術(shù)愿景。相應的，機器組件、URL、HTML和HTTP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等基礎構件的標準也正隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新而加速發(fā)展。標準RISC-V ISA使開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng )建高效的處理器，同時(shí)節省軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而加快上市步伐。
標準架構通過(guò)通用規范實(shí)現定制設計，但對于特定應用，可能還需要在標準之外進(jìn)行額外的定制。RISC-V社區認識到這一需求，并評估了許多此類(lèi)定制任務(wù)，以便重新納入標準。結合RISC-V定義的矢量擴展（RVV）與定制DSP指令來(lái)開(kāi)發(fā)處理器IP，有望為需要信號處理功能的低功耗嵌入式應用帶來(lái)顯著(zhù)優(yōu)勢。對于特別注重權衡功耗、性能和面積的微控制器（MCU）來(lái)說(shuō)更是如此。
微控制器的演變
在過(guò)去幾十年里，MCU已經(jīng)從簡(jiǎn)單的嵌入式系統發(fā)展成為復雜的互聯(lián)設備。上世紀90年代末，模數轉換器（ADC）、計時(shí)器和UART逐漸集成到單個(gè)芯片上，MCU的性能和能效得到了顯著(zhù)提升。在2010年代，MCU將Wi-Fi、藍牙和Zigbee等無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)以及安全模塊集成到硬件中，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)熱潮。供應商現在提供通用CPU的DSP增強版本，可在現場(chǎng)進(jìn)行編程。圖1為矢量處理的融合進(jìn)程。矢量處理漸漸從用于超級計算機演變?yōu)榧傻組CU中，能夠高效執行控制導向型任務(wù)。
圖1：結合通用功能與SIMD/DSP功能的微控制器的演變過(guò)程
矢量處理器設計用于處理一維數組，其中包括單指令、多數據（SIMD）。應用處理器中常見(jiàn)的SIMD擴展包括英特爾的MMX、SSE和AVX、Arm的Neon和摩托羅拉-飛思卡爾的Altivec for PowerPC。這種通用+SIMD/DSP混合架構也擴展到MCU領(lǐng)域。
相比于同時(shí)執行不同計算的并發(fā)工作負載，SIMD針對不同的數據同時(shí)執行完全一樣的指令。常見(jiàn)的例子包括調整數字圖像的對比度或數字音頻的音量?；炯軜嫲ㄒ粋€(gè)單獨的標量寄存器文件（整數和/或浮點(diǎn)數）和一個(gè)矢量寄存器文件。通常，矢量?jì)鹊腟IMD最小元素寬度為8位。因此，64位矢量寄存器可以提供各種可編程選項：1x64位、2x32位、8x8位和4x16位。這種靈活性使開(kāi)發(fā)者能夠根據應用情況，以最小的字寬選擇所需的精度水平。
最近，MCU集成或應用了越來(lái)越多的先進(jìn)數據技術(shù)，例如SIMD指令和AI/ML矢量化操作，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供支持。在這些情況下，單個(gè)MCU負責傳感器數據的前端數字信號處理，例如過(guò)濾和傳感器融合，同時(shí)其后端可以運行AI/ML模型來(lái)支持語(yǔ)音觸發(fā)、對象檢測和其他低功耗AIoT應用。例如，新思科技ARC? EMxD處理器結合了高效的DSP和AI/ML處理，可降低功耗、簡(jiǎn)化設計、復用軟件并節省系統成本。
MCU是第一類(lèi)采用RISC-V的處理器，對RISC-V在汽車(chē)和消費市場(chǎng)中的增長(cháng)起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。MCU大大受益于RISC-V的模塊化和簡(jiǎn)單設計，可以在成本敏感、低功耗且多樣化的嵌入式應用中實(shí)現更高的效率和靈活性。
RISC-V和開(kāi)放標準模型的興起
RISC-V開(kāi)放指令集架構（ISA）為全球圍繞開(kāi)源軟硬件開(kāi)發(fā)而展開(kāi)的密切合作指明了加速技術(shù)進(jìn)步的方向。與可免費獲取實(shí)際代碼的“開(kāi)源”軟件不同，RISC-V是一個(gè)開(kāi)放的規范，社區可以參與討論并為規范的更新做出貢獻。
RISC-V處理器的核心優(yōu)勢包括一系列設計屬性，有助于實(shí)現處理器設計可配置性、可擴展性和軟件兼容性，形成了一個(gè)豐富的生態(tài)系統。
RISC-V生態(tài)系統目前有4300多名成員，涉及物理硬件、IP、片上系統（SoC）、開(kāi)發(fā)板、從工具鏈到操作系統的完整軟件堆棧、工具供應商、調試供應商、仿真器和模擬器、驗證服務(wù)和教育材料等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上的RISC-V內核數量超過(guò)100億，全球有數萬(wàn)到數十萬(wàn)的開(kāi)發(fā)者正在從事RISC-V相關(guān)工作。
RISC-V矢量規范為微控制器帶來(lái)的矢量處理優(yōu)勢
RISC-V矢量規范版本1.0（RVV 1.0）是經(jīng)批準對RISC-V ISA進(jìn)行的矢量處理擴展。矢量處理通過(guò)并行處理來(lái)提高性能。常見(jiàn)的處理類(lèi)型包括圖像和音頻信號處理、渲染圖形、動(dòng)畫(huà)和游戲物理、數據壓縮和加密（如加密操作）以及用于推理、特征提取和數據預處理等任務(wù)的邊緣機器學(xué)習。
RVV 1.0將高效的控制面與高性能的數據平面相結合，在設計時(shí)充分考慮了軟件開(kāi)發(fā)的需求。其可調矢量長(cháng)度范圍從32位到2048位不等，開(kāi)發(fā)者可根據具體性能要求動(dòng)態(tài)配置其設計。此外，開(kāi)發(fā)者可以利用RVV的內置效率和性能增強功能（如矢量鏈式操作）來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)設計。應用軟件開(kāi)發(fā)者可以編寫(xiě)與矢量長(cháng)度無(wú)關(guān)的代碼，而不用管硬件的實(shí)際矢量長(cháng)度，從而充分實(shí)現軟件復用。RVV的簡(jiǎn)化設計側重于優(yōu)化代碼大小，而非內存利用率。例如，每個(gè)矢量都使用由矢量長(cháng)度定義的相同數量的元素，無(wú)論這些元素是否全部被使用。這種方法可以減少執行代碼時(shí)所需的指令，從而也提高了電源效率。此外，受益于豐富的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，RVV還使其他開(kāi)源工具鏈（如LLVM和GCC）能夠支持自動(dòng)矢量化，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了矢量處理應用的開(kāi)發(fā)。
使用定制DSP指令增強RVV，實(shí)現高效信號處理
越來(lái)越多的SoC開(kāi)發(fā)者傾向于選擇針對特定應用的可選定制擴展。盡管RVV已經(jīng)可以支持一些定點(diǎn)運算，但增加針對信號處理應用（如FFT、FIR和矩陣乘法）和多媒體處理應用（包括音頻、視頻和圖像處理）的DSP指令還能進(jìn)一步優(yōu)化處理器的功耗、性能和面積（PPA）。
新思科技ARC-V? RMX-100D系列處理器（圖2）將RVV1.0標準與定制DSP指令相結合，為低功耗嵌入式應用創(chuàng )建高度優(yōu)化且經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案，實(shí)現高效的信號處理。通過(guò)集成DSP和RVV功能，可以顯著(zhù)改善周期數性能和能效。
圖2：新思科技ARC-V RMX-100D處理器IP框圖
圖3中的數據表明，信號處理中常用算法的周期數、性能和效率得到顯著(zhù)改善，具體包括：矢量加法、矢量點(diǎn)積、矩陣乘法、快速傅里葉變換（FFT）和有限脈沖響應（FIR）。與僅限RVV的標準實(shí)現相比，結合RVV與DSP指令的新思科技ARC-V RMX-100D處理器可以實(shí)現更多增強功能。
圖3：使用RMX-100D處理器增加定制DSP指令時(shí)，速度與RVV相比有所提升
結論
RISC-V指令集架構（ISA）支持模塊化和可擴展的設計實(shí)現，為低功耗嵌入式應用提供了理想的基礎。通過(guò)使用DSP功能擴展RVV，基線(xiàn)RISC-V實(shí)現可顯著(zhù)提高周期數性能和能效，同時(shí)保持向后兼容性并充分實(shí)現軟件復用，以滿(mǎn)足各種信號處理工作負載的需求。新思科技的ARC-V RMX-100D和RMX-500D系列處理器結合了RVV1.0與定制DSP指令，為需要高級信號處理的低功耗嵌入式應用提供高度優(yōu)化且經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案。
(By Revi Ofir, Product Manager, ARC Processor IP, Synopsys)
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