【E問(wèn)E答】設計自己專(zhuān)用處理器該怎么完成？

　　做芯片設計的各位,在某個(gè)時(shí)刻,你也許會(huì )產(chǎn)生一個(gè)想法,“為什么不自己設計一個(gè)處理器呢?”或許是手頭的處理器并不好用;或許是想用的處理器貴的離譜;或許是你希望做出差異化的產(chǎn)品;又或者僅僅因為它是個(gè)誘人的挑戰,你想嘗試一下...既然如此,我很高興能和你討論一下怎么完成這個(gè)任務(wù)。

　　交付物

　　我們先從結果說(shuō)起,也就是這項任務(wù)的最終交付物。這里不妨參考ARM處理器核的deliverables。當然,如果只是一個(gè)自己用的專(zhuān)用處理器,不一定要有這么完整的交付物。

　　硬件:主要是處理器相關(guān)的RTL代碼,驗證環(huán)境,EDA工具的腳本,文檔等等。

　　工具:主要包括編譯工具(compiler),調試工具(debugger),仿真工具(simulator)和性能分析工具(profiler)。下圖是ARM的編譯工具的例子,主要包括armclang(C編譯器),armasm(匯編器),armlink(鏈接器)和fromelf(image工具)。

　　仿真工具一般至少包括一個(gè)指令仿真器 instruction set simulator (ISS),做的好的有cycle-accurate ISS。

　　模型:此外,現在一般的處理器IP還會(huì )提供一些處理器的模型來(lái)支持系統級設計,比如用于虛擬平臺(virtual platform的處理器model。虛擬平臺可以在沒(méi)有硬件的情況下支持軟件開(kāi)發(fā),它可以模擬一個(gè)完整的芯片或者一個(gè)硬件板卡,比如ARM的Fixed Virtual Platform (FVP)。而專(zhuān)用的處理器模型(比如ARM的Fast Model)是虛擬平臺的重要組成部分,和總線(xiàn)模型以及其它IP模型一起模擬系統的功能。

　　在上述交付物中,紅色為必不可少的內容。即使你做的專(zhuān)用處理器功能簡(jiǎn)單,沒(méi)有這幾部分它也幾乎是無(wú)法正常使用的。當然,你可以說(shuō),我不需要ISS做指令驗證,不需要debugger做調試,不需要C編譯器而只用匯編,我也只能“呵呵”了。

　　看到這一大堆工作,如果你沒(méi)有膽怯,而是覺(jué)得很有意思。那么我也很愿意給你點(diǎn)幫助,看看是不是可以把你的想法變成現實(shí)。其實(shí)方法也很簡(jiǎn)單 — 自己做不了就找“別人”幫忙唄。

　　具體來(lái)說(shuō),根據你的預算情況,可以分為“窮”和“富”兩種玩法。我先說(shuō)說(shuō)有錢(qián)的玩法吧。

　　富玩法

　　其實(shí),不止你一個(gè)人想做專(zhuān)用處理器,很多大公司也有這樣的需求。所以,就有人為這種需求專(zhuān)門(mén)提供了解決方案,比如Synopsys的ASIP-designer工具和Cadence的Xtensa可擴展處理器(參見(jiàn)Cadence(Tensilica)的可定制處理器),都是為了滿(mǎn)足定制處理器的需求而設計的。

　　其中Cadence的可擴展處理器是在一個(gè)基礎處理器上給你提供了配置(configure)和擴展(extension)的方法和工具。它提供的功能可以通過(guò)下圖感受一下。

　　這套工具的輸入包括三個(gè)部分:1)一個(gè)處理器模板(Processor Template);2)用戶(hù)配置(Configuratoin Options);3)定制的指令(Custom Instructions)。最簡(jiǎn)單的情況,你只要選一個(gè)處理器模板扔給工具就可以了。如果這個(gè)不能滿(mǎn)足要求,那么你可能要做一些配置。這個(gè)也很簡(jiǎn)單,基本是菜單選擇。最有技術(shù)含量的是第三種情況,你要設計一些定制的指令。有了這些輸入,剩下的事情就都交給工具了。我們在第一節說(shuō)的那些交付物,都可以自動(dòng)生成。

　　那么我們怎么知道要不要自己定制指令呢?工具也提供了方法。首先,輸入你的算法程序輸入,經(jīng)過(guò)編譯,進(jìn)行仿真和profiling,得到性能評估的結果。然后判斷是否滿(mǎn)足需求。答案是NO的話(huà),就嘗試更新Configuration;如果還是不行,再?lài)L試定制指令的方法,直到滿(mǎn)意為止。由于工具幫助你做了大部分工作,這個(gè)迭代的過(guò)程(也可以看作是Design Space Exploration)會(huì )非?？?。

　　為了實(shí)現定制指令(對原有指令集進(jìn)行擴展),Cadence(Tensilica)設計了一種專(zhuān)用的描述語(yǔ)言:Tensilica Instruction Extension (TIE) language。由于Xtensa處理器有一個(gè)基本的架構模板,使用TIE語(yǔ)言對它進(jìn)行擴展是有一定的限制,不是說(shuō)你想做的指令和架構改動(dòng)都能夠實(shí)現。

　　Synopsys提供的工具直接就叫ASIP designer,ASIP(Application-Specific Processor)專(zhuān)用處理器設計工具。和Tensilica的可擴展處理器不同,ASIP designer支持從零開(kāi)始設計和實(shí)現一個(gè)專(zhuān)用處理器。相應的,它比Tensilica可擴展處理器有更高的靈活性。你可以非常自由的設計指令集和微結構,覆蓋從Extensible processor,到Application-specific uP/DSP,到Programmable datapath這樣一個(gè)更大的架構空間,如下圖所示。這里也可以看出,這個(gè)工具的目標并不是設計通用處理器。

　　下圖是這個(gè)工具完整的方法學(xué)。

　　它的輸入就是兩個(gè),算法(C/C++代碼)和處理器模型(Processor Model),輸出則是一個(gè)處理器相關(guān)的所有設計和工具鏈。從輸入到輸出的過(guò)程同樣是自動(dòng)化完成的。當然,這個(gè)過(guò)程并不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單,處理器建模的門(mén)檻不低。而且,工具賦予你的靈活性越高,掌握這種工具的門(mén)檻也越高。ASIP designer的處理器建模需要使用一種專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)言,即nML,對處理器的指令集和架構進(jìn)行高層次建模;此外還需要很多和編譯器相關(guān)的設計,(具體的信息大家可以訪(fǎng)問(wèn)synopsys網(wǎng)站)。所以,即使你能買(mǎi)得起,要玩好這套工具,還得具備兩個(gè)條件:第一,是你必須熟悉處理器架構和編譯方面知識;第二,是要學(xué)習這套建模語(yǔ)言和工具。

　　總的來(lái)說(shuō),如果你有專(zhuān)用處理器設計的需求,足夠的資金和學(xué)習的耐心,可以考慮引入這類(lèi)輔助設計工具。在經(jīng)歷過(guò)一定的學(xué)習周期后,你不僅可以完成一個(gè)設計,還能獲得快速、高效設計處理器的能力。

　　窮玩法

　　看了上面的介紹,你是不是也對“自動(dòng)”設計專(zhuān)用處理器的方法很眼饞呢?可惜,你可能沒(méi)有足夠的資金來(lái)購買(mǎi)這樣的工具,或者是你的目標收益還不值得做出這樣的投資。這種情況下,我建議你從開(kāi)源的處理器(或者指令集)開(kāi)始做你自己的專(zhuān)用處理器。其實(shí)這也算是廢話(huà)吧。所以還是得給個(gè)具體的例子,假設你想在RSIC-V的基礎上做定制處理器。RSIC-V是現在一個(gè)相對成熟的開(kāi)源處理器指令,已經(jīng)有很多相關(guān)實(shí)現和非?；钴S的社區。相信大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò),就不科普了。這里得說(shuō)明一下,我并沒(méi)有對RISC-V進(jìn)行過(guò)深入的研究和嘗試,以下的說(shuō)法基本上是紙上談兵,不對的地方請大家批評指正。

　　首先,你要好好學(xué)習一下RISC-V指令集手冊中的“Chapter 10 Extending RISC-V”,這里明確介紹了給RISC-V指令集增加指令的規則。

　　第二,在現有的RISC-V的硬件實(shí)現基礎上,增加新指令對應的硬件?？赡苄枰黾訉?zhuān)用的寄存器,運算單元,pipeline寄存器,控制信號等等?；蛘?你可以按照新的指令集(假設叫“RISC-V++ ISA”)自己做完整的硬件實(shí)現。其實(shí)我覺(jué)得第二種方法還更靠譜一點(diǎn)。很多時(shí)候,修改別人的東西,要比自己做困難的多。

　　第三,在RISC-V原有的工具鏈(比如GNU或者LLVM的編譯器)基礎上做出修改,支持新的指令。相對來(lái)說(shuō),這項工作是有比較完善的規則的,只要按照編譯工具的規則就可以把新增的指令加進(jìn)去。當然,如果你增加的指令比較特殊,比如是向量操作,那么工具鏈的設計會(huì )困難很多。這種情況下的一個(gè)選擇是在高級程序語(yǔ)言的編譯器中不增加對新指令的支持,這些新的指令以匯編或者intrinsic的方法實(shí)現。

　　最后,這套方法是不是也能支持在第二節中所說(shuō)的快速design space exploration呢?基本的思路也是差不多的。你可以先用基本指令集來(lái)仿真你的算法;根據profiling的結果(比如性能指標,指令效率,code size等)考慮對指令集進(jìn)行的修改;然后更新相應的硬件實(shí)現和工具鏈,再編譯和仿真你的算法,并不斷迭代?，F在你實(shí)現這個(gè)過(guò)程沒(méi)有自動(dòng)化工具的幫忙,可能需要更長(cháng)的時(shí)間才能完成,特別是需要對功耗面積等implementation結果進(jìn)行優(yōu)化的情況。當然,如果現在RSIC-V的生態(tài)中已經(jīng)有了輔助設計工具,那么可能情況會(huì )輕松一些。

　　這種方法看起來(lái)行的通,不過(guò)中間的坑非常多,要求你對基礎處理器(比如RISC-V)非常熟悉。適合那些已經(jīng)完整的做過(guò)RISC-V實(shí)現的玩家嘗試。否則,也許有的坑你根本過(guò)不去。

　　最后,我寫(xiě)這篇文章并不是想鼓勵大家都自己做專(zhuān)用處理器,而是希望大家清楚做這件事情要付出的代價(jià)。