隋金雪 1，季永輝 1，2，3，張 霞 2，朱智林 1

（1.山東工商學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264026；2.北京大學(xué)信息技術(shù)高等研究院，浙江 杭州 311215；3.煙臺(tái)中科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所，山東 煙臺(tái) 264026）

摘??要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中SOC平臺(tái)多需求決策問(wèn)題，以處理器CV32E40P 和 Ibex 作為內(nèi)核，選用改進(jìn)片上總線架構(gòu)（AMBA）協(xié)議以及通用型外設(shè)搭建SOC平臺(tái)；然后根據(jù)資源利用報(bào)告分析其面積、功耗和性能；最后在 FPGA上驗(yàn)證SOC平臺(tái)可行性。結(jié)果表明，在同一SOC平臺(tái)下，CV32E40P的面積相較于Ibex增加了26.07%，在25 MHz、40 MHz與50 MHz頻率下，功耗分別提高了31.58%、29.03%以及25.64%，在運(yùn)行邏輯控制與卷積運(yùn)算代碼時(shí)，速度分別提高了27.66%和108.75%。綜上，Ibex更適用于智能家居領(lǐng)域中低帶寬數(shù)據(jù)獲取的場(chǎng)景，而 CV32E40P則適用于智慧城市領(lǐng)域中視頻、圖像數(shù)據(jù)采集處理的場(chǎng)景。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN02?34；TP303? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004?373X（2022）03?0039?04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從萌芽導(dǎo)入期到技術(shù)沉淀期，再到如今的市場(chǎng)驗(yàn)證期，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如智能家居、智能工業(yè)、智慧城市等。不同應(yīng)用場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備也被賦予了不同的職能，例如，智能家居中對(duì)溫度、濕度、煙霧等低帶寬信息的監(jiān)控[1]，智能工業(yè)中對(duì)震動(dòng)、音頻等高頻信號(hào)的監(jiān)控[2]，智慧城市中對(duì)低功率成像儀、攝像機(jī)等高密度信息的監(jiān)控[3]。為了應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的多種情況，終端設(shè)備除了是完全可編程的，還必須包含必要的硬件設(shè)備，從而形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，如傳感器、執(zhí)行器、微處理器、無(wú)線通信器等，具備完全獨(dú)立運(yùn)行的能力[4]。

目前，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域常用的SOC平臺(tái)設(shè)計(jì)方案有三種，分別為單核心SOC平臺(tái)、異構(gòu)SOC平臺(tái)以及多核與硬件加速器混合SOC平臺(tái)[5]。單核心SOC平臺(tái)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于其核心針對(duì)特定領(lǐng)域優(yōu)化，例如ARM公司的Cortex?M4平臺(tái)以及意法半導(dǎo)體的MSP430平臺(tái)[6?7]，單核SOC平臺(tái)設(shè)計(jì)在各方面表現(xiàn)都差強(qiáng)人意，但在多任務(wù)情況下就略顯不足。異構(gòu)SOC平臺(tái)為解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域任務(wù)多樣性提供了解決方案，例如意法半導(dǎo)體的CC2650 平臺(tái)以及恩智浦的LPC54100平臺(tái)[8?9]，異構(gòu)平臺(tái)解決了任務(wù)多樣性問(wèn)題，但是在功耗、面積等方面不盡人意。因此，多核與硬件加速器混合的SOC平臺(tái)設(shè)計(jì)方案被提出，例如Fulmine 平臺(tái)以及GAP?8平臺(tái)[10?11]。混合型SOC平臺(tái)雖然在性能與能效方面都很優(yōu)異，但是專(zhuān)用型硬件加速器限制了平臺(tái)的使用，除了特定應(yīng)用場(chǎng)景下，平臺(tái)無(wú)法發(fā)揮特長(zhǎng)。本文采用常見(jiàn)的單核設(shè)計(jì)，通過(guò)討論基于 RISC?V指令集架構(gòu)的異構(gòu)性內(nèi)核，從內(nèi)核微架構(gòu)設(shè)計(jì)到SOC平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，分析其功耗、面積、性能等方面的指標(biāo)，為解決不同應(yīng)用場(chǎng)景下搭建SOC平臺(tái)提供方案。

1 RISC?V 處理器

1.1 CV32E40P處理器

CV32E40P 是一款高效的32位有序RISC?V處理器，具有4級(jí)流水線，支持基本整數(shù)指令集（I）、壓縮指令集（C）和乘法除法指令集（M），處理器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CV32E40P的流水線分為取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）、回寫(xiě)（WB）四個(gè)過(guò)程。在取指過(guò)程中，指令先從存儲(chǔ)器（IRAM）進(jìn)入對(duì)齊預(yù)取指緩沖區(qū)（Prefetch Buffer）中等待，當(dāng)指令端存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器（Controller）發(fā)送確認(rèn)信號(hào)時(shí)指令獲取成功，除了獲取指令，取指階段還需要將壓縮指令預(yù)解碼成基本整數(shù)指令。在譯碼階段，基本整數(shù)指令進(jìn)行更進(jìn)一步的解碼（Decode）操作，除此之外，該階段還需提前獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)放入到普通目的寄存器（GPR）中以便之后使用。在執(zhí)行階段中存在著三個(gè)執(zhí)行單元，分別是算數(shù)邏輯單元（ALU）、乘法器（MULT）和除法器（DIV）。在回寫(xiě)階段中，計(jì)算結(jié)果將按照目的操作數(shù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)位置，這里還包含一個(gè)加載存儲(chǔ)單元（LSU），用于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取至譯碼階段。

1.2 Ibex處理器

Ibex是一款設(shè)計(jì)小巧而高效的32位有序RISC?V處理器，具有2級(jí)流水線，支持基本整數(shù)指令集（I）、壓縮指令集（C），具有可選的乘法除法指令集（M）與比特操作指令集（B），處理器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Ibex的流水線分為取指（IF）、譯碼與執(zhí)行（ID/EX）兩個(gè)階段。在取指階段中，數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中進(jìn)入預(yù)取指緩沖區(qū)(Prefetch Buffer)，當(dāng)指令端存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器(Controller)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)時(shí)，指令便獲取成功。在譯碼與執(zhí)行階段中，獲取到的指令將被解碼（Decode）并立即執(zhí)行，普通目的寄存器（GPR）的讀寫(xiě)也發(fā)生在該階段，當(dāng)遇到多周期指令時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)分支回傳到執(zhí)行階段的起始位置再次執(zhí)行直到完成為止。

2 SOC 平臺(tái)搭建

2.1 SOC平臺(tái)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)具有內(nèi)核、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、指令存儲(chǔ)器、事件單元，以及諸如GPIO、UART、I2C、SPI和計(jì)時(shí)器等通用外設(shè)，該SOC平臺(tái)如圖 3所示。

由于系統(tǒng)采用哈弗結(jié)構(gòu)，所以具有單端口的32 KB指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且系統(tǒng)包含一個(gè)用于引導(dǎo)程序的Boot ROM，能將程序從FLASH中加載并進(jìn)行初始化。直接掛載到AXI總線上的SPI Slave 接口則能夠讓用戶讀取或?qū)懭雰?nèi)存數(shù)據(jù)而無(wú)需內(nèi)核幫助，Adv DebugUnit模塊則用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

2.2 總線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用IP核復(fù)用的方式，通過(guò)為IP核設(shè)定一個(gè)共同的總線接口，提高了IP核的可重用性，簡(jiǎn)化了芯片的設(shè)計(jì)工作，為芯片開(kāi)發(fā)節(jié)約了大量的時(shí)間。本系統(tǒng)采用的總線標(biāo)準(zhǔn)是由ARM公司推出的高級(jí)可擴(kuò)展接口AXI以及高級(jí)外設(shè)總線APB。相較于內(nèi)核的數(shù)據(jù)處理能力而言，外設(shè)模塊如UART、GPIO、SPI等的數(shù)據(jù)吞吐率不高，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，為了解決該問(wèn)題，本系統(tǒng)將高速模塊通過(guò)AXI總線組成高速子系統(tǒng)，將低速模塊通過(guò)APB總線組成低速子系統(tǒng)，然后通過(guò)AXI2APB橋?qū)崿F(xiàn)AXI總線與APB總線之間的通信，整個(gè)低速子系統(tǒng)作為高速子系統(tǒng)的從機(jī)，與其他高速模塊進(jìn)行通信，因此能夠在一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中與多個(gè)低速模塊進(jìn)行通信，最大化地利用總線資源。本系統(tǒng)采用的總線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 驗(yàn)證結(jié)果

3.1 面積比較

圖5展示了以邏輯單元(Logic Cell)為單位的內(nèi)核面積分布情況。CV32E40P實(shí)例化區(qū)域面積為7372單元，Ibex實(shí)例化區(qū)域面積為3271單元，其中，CV32E40P與Ibex的取值部分面積比為1.28∶1，譯碼部分面積比為4.21∶1，執(zhí)行部分的面積比為1.06∶1，回寫(xiě)部分的面積比為1∶1.95。

圖6展示了兩個(gè)SOC的面積分布，可以看出除了內(nèi)核區(qū)域外，其余如內(nèi)部總線模塊、時(shí)鐘與復(fù)位模塊和外設(shè)模塊所占用的面積基本相似。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CV32E40P內(nèi)核相較于Ibex內(nèi)核在面積上增加了125.37%，CV32E40P SOC平臺(tái)相較于Ibex SOC平臺(tái)在面積上增加了26.07%，雖然就內(nèi)核而言，CV32E40P 的面積明顯大于Ibex，但是當(dāng)嵌入進(jìn)同一SOC平臺(tái)后，面積差異并不明顯。

3.2 功耗比較

圖7、圖8分別展示了在不同頻率下，由Ibex內(nèi)核組成的SOC系統(tǒng)與由CV32E40P內(nèi)核組成的SOC系統(tǒng)在功耗上的性能表現(xiàn)。

結(jié)果表明，在相同頻率下，CV32E40P各模塊的功耗明顯大于Ibex各模塊的功耗，隨著頻率的增加，各模塊的功耗也隨之增加，但是CV32E40P功耗增加的幅度要小于Ibex功耗增加的幅度，由此可以說(shuō)明，CV32E40P相較于Ibex在同頻率下能源利用率更高，即能效更高。因此，在面對(duì)需要高算力、高性能的任務(wù)時(shí)，CV32E40P要比 Ibex更加節(jié)能，計(jì)算能力也更好，而在面對(duì)簡(jiǎn)單、無(wú)需復(fù)雜計(jì)算的邏輯控制任務(wù)時(shí)，Ibex 的整體功耗要明顯優(yōu)于CV32E40P，性能也完全足夠。

3.3 性能比較

通過(guò)表1可以看出，在性能方面，CV32E40P略高于NXP K70芯片 ，而Ibex則對(duì)標(biāo)于 NXP K60芯片 ，CV32E40P僅就跑分而言相較于Ibex提升了 30.74%。

通過(guò)Questasim 10.7C仿真軟件對(duì)搭建好的SOC平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在時(shí)鐘頻率為25 MHz 下運(yùn)行邏輯控制代碼，控制串口發(fā)送指定字符串，由于CV32E40P具有增強(qiáng)的ISA和更復(fù)雜的流水線，因此 CV32E40P 更快地完成 了 數(shù) 據(jù) 傳 輸 ，CV32E40P相較Ibex速度提升了27.66%。同樣地，在運(yùn)行卷積運(yùn)算代碼時(shí)，CV32E40P相較Ibex速度提升了 108.75%。

結(jié)果表明 ，在處理簡(jiǎn)單的邏輯控制代碼時(shí) ，CV32E40P雖然結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，計(jì)算能力更出眾，但是相較于Ibex而言無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，但是在針對(duì)復(fù)雜的卷積代碼進(jìn)行運(yùn)算時(shí)CV32E40P具有良好的表現(xiàn)，而僅具備簡(jiǎn)單乘除運(yùn)算器的Ibex則捉襟見(jiàn)肘。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于RISC?V指令集架構(gòu)的異構(gòu)性內(nèi)核，提出以RISC?V開(kāi)源處理器CV32E40P和Ibex作為內(nèi)核并選用AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）協(xié)議以及通用型外設(shè)搭建SOC平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，面積方面，CV32E40P內(nèi)核相較于 Ibex內(nèi)核增加了125.37%，CV32E40P SOC平臺(tái)相較于Ibex SOC平臺(tái)增加了 26.07%，雖然就內(nèi)核而言，CV32E40P的面積明顯大了?Ibex，但是當(dāng)嵌入同一SOC平臺(tái)后，面積差異并不明顯。功耗方面，在25 MHz、40 MHz 以及 50 MHz頻率下，CV32E40P SOC平臺(tái)的功耗相較?Ibex SOC?平臺(tái)的功耗分別增加了31.58%、29.03%以及 25.64%，CV32E40P的功耗要大于Ibex，但是能效比更高。性能方面，CV32E40P的 CoreMark評(píng)分相較于Ibex提高了30.74%，在運(yùn)行邏輯控制與卷積運(yùn)算代碼時(shí)，CV32E40P相較于Ibex速度分別提高了27.66% 和108.75%，CV32E40P更適用于數(shù)據(jù)運(yùn)算，而Ibex更適用于邏輯控制。綜上所述，Ibex更適用于智能家居領(lǐng)域低帶寬數(shù)據(jù)獲取的場(chǎng)景，而CV32E40P則適用于智慧城市領(lǐng)域視頻、圖像數(shù)據(jù)采集處理的場(chǎng)景。

注：本文通訊作者為季永輝。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

隋金雪（1977—），男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

季永輝（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)?FPGA 驗(yàn)證與嵌入式系統(tǒng)。

張?霞（1980—），女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)?a target="_blank">半導(dǎo)體微電子設(shè)計(jì)與微電子封裝。

編輯：黃飛

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