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(duì)定制可擴(kuò)展處理器的需求也隨之不斷攀升。RISC-V開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)指令集架構(gòu)（ISA）以其模塊化設(shè)計(jì)和協(xié)作社區(qū)，引領(lǐng)了處理器設(shè)計(jì)新潮流，助力實(shí)現(xiàn)技術(shù)愿景。相應(yīng)的，機(jī)器組件、URL、HTML和HTTP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等基礎(chǔ)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)也正隨著技術(shù)創(chuàng)新而加速發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)RISC-V ISA使開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng)建高效的處理器，同時(shí)節(jié)省軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而加快上市步伐。

標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)通過(guò)通用規(guī)范實(shí)現(xiàn)定制設(shè)計(jì)，但對(duì)于特定應(yīng)用，可能還需要在標(biāo)準(zhǔn)之外進(jìn)行額外的定制。RISC-V社區(qū)認(rèn)識(shí)到這一需求，并評(píng)估了許多此類定制任務(wù)，以便重新納入標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合RISC-V定義的矢量擴(kuò)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(hào)處理功能的低功耗嵌入式應(yīng)用帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)于特別注重權(quán)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(tǒng)發(fā)展成為復(fù)雜的互聯(lián)設(shè)備。上世紀(jì)90年代末，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、計(jì)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提升。在2010年代，MCU將Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee等無(wú)線連接技術(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(yīng)商現(xiàn)在提供通用CPU的DSP增強(qiáng)版本，可在現(xiàn)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(jí)計(jì)算機(jī)演變?yōu)榧傻組CU中，能夠高效執(zhí)行控制導(dǎo)向型任務(wù)。

▲圖1 結(jié)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(shè)計(jì)用于處理一維數(shù)組，其中包括單指令、多數(shù)據(jù)（SIMD）。應(yīng)用處理器中常見(jiàn)的SIMD擴(kuò)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(gòu)也擴(kuò)展到MCU領(lǐng)域。

相比于同時(shí)執(zhí)行不同計(jì)算的并發(fā)工作負(fù)載，SIMD針對(duì)不同的數(shù)據(jù)同時(shí)執(zhí)行完全一樣的指令。常見(jiàn)的例子包括調(diào)整數(shù)字圖像的對(duì)比度或數(shù)字音頻的音量?；炯軜?gòu)包括一個(gè)單獨(dú)的標(biāo)量寄存器文件（整數(shù)和/或浮點(diǎn)數(shù)）和一個(gè)矢量寄存器文件。通常，矢量?jī)?nèi)的SIMD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(xiàng)：1x64位、2x32位、8x8位和4x16位。這種靈活性使開(kāi)發(fā)者能夠根據(jù)應(yīng)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(yīng)用了越來(lái)越多的先進(jìn)數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的前端數(shù)字信號(hào)處理，例如過(guò)濾和傳感器融合，同時(shí)其后端可以運(yùn)行AI/ML模型來(lái)支持語(yǔ)音觸發(fā)、對(duì)象檢測(cè)和其他低功耗AIoT應(yīng)用。例如，新思科技ARC EMxD處理器結(jié)合了高效的DSP和AI/ML處理，可降低功耗、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、復(fù)用軟件并節(jié)省系統(tǒng)成本。

MCU是第一類采用RISC-V的處理器，對(duì)RISC-V在汽車(chē)和消費(fèi)市場(chǎng)中的增長(zhǎng)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(shè)計(jì)，可以在成本敏感、低功耗且多樣化的嵌入式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的效率和靈活性。

RISC-V和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)模型的興起

RISC-V開(kāi)放指令集架構(gòu)（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(fèi)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(guī)范，社區(qū)可以參與討論并為規(guī)范的更新做出貢獻(xiàn)。

RISC-V處理器的核心優(yōu)勢(shì)包括一系列設(shè)計(jì)屬性，有助于實(shí)現(xiàn)處理器設(shè)計(jì)可配置性、可擴(kuò)展性和軟件兼容性，形成了一個(gè)豐富的生態(tài)系統(tǒng)。

RISC-V生態(tài)系統(tǒng)目前有4300多名成員，涉及物理硬件、IP、片上系統(tǒng)（SoC）、開(kāi)發(fā)板、從工具鏈到操作系統(tǒng)的完整軟件堆棧、工具供應(yīng)商、調(diào)試供應(yīng)商、仿真器和模擬器、驗(yàn)證服務(wù)和教育材料等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上的RISC-V內(nèi)核數(shù)量超過(guò)100億，全球有數(shù)萬(wàn)到數(shù)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(guī)范為微控制器帶來(lái)的矢量處理優(yōu)勢(shì)

RISC-V矢量規(guī)范版本1.0（RVV 1.0）是經(jīng)批準(zhǔn)對(duì)RISC-V ISA進(jìn)行的矢量處理擴(kuò)展。矢量處理通過(guò)并行處理來(lái)提高性能。常見(jiàn)的處理類型包括圖像和音頻信號(hào)處理、渲染圖形、動(dòng)畫(huà)和游戲物理、數(shù)據(jù)壓縮和加密（如加密操作）以及用于推理、特征提取和數(shù)據(jù)預(yù)處理等任務(wù)的邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)。

RVV 1.0將高效的控制面與高性能的數(shù)據(jù)平面相結(jié)合，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了軟件開(kāi)發(fā)的需求。其可調(diào)矢量長(zhǎng)度范圍從32位到2048位不等，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)具體性能要求動(dòng)態(tài)配置其設(shè)計(jì)。此外，開(kāi)發(fā)者可以利用RVV的內(nèi)置效率和性能增強(qiáng)功能（如矢量鏈?zhǔn)讲僮鳎﹣?lái)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者可以編寫(xiě)與矢量長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的代碼，而不用管硬件的實(shí)際矢量長(zhǎng)度，從而充分實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用。RVV的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)側(cè)重于優(yōu)化代碼大小，而非內(nèi)存利用率。例如，每個(gè)矢量都使用由矢量長(zhǎng)度定義的相同數(shù)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(zhí)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(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

使用定制DSP指令增強(qiáng)RVV，實(shí)現(xiàn)高效信號(hào)處理

越來(lái)越多的SoC開(kāi)發(fā)者傾向于選擇針對(duì)特定應(yīng)用的可選定制擴(kuò)展。盡管RVV已經(jīng)可以支持一些定點(diǎn)運(yùn)算，但增加針對(duì)信號(hào)處理應(yīng)用（如FFT、FIR和矩陣乘法）和多媒體處理應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)與定制DSP指令相結(jié)合，為低功耗嵌入式應(yīng)用創(chuàng)建高度優(yōu)化且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案，實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。通過(guò)集成DSP和RVV功能，可以顯著改善周期數(shù)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(shù)據(jù)表明，信號(hào)處理中常用算法的周期數(shù)、性能和效率得到顯著改善，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(yīng)（FIR）。與僅限RVV的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)相比，結(jié)合RVV與DSP指令的新思科技ARC-V RMX-100D處理器可以實(shí)現(xiàn)更多增強(qiáng)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(jié)論

RISC-V指令集架構(gòu)（ISA）支持模塊化和可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為低功耗嵌入式應(yīng)用提供了理想的基礎(chǔ)。通過(guò)使用DSP功能擴(kuò)展RVV，基線RISC-V實(shí)現(xiàn)可顯著提高周期數(shù)性能和能效，同時(shí)保持向后兼容性并充分實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，以滿足各種信號(hào)處理工作負(fù)載的需求。新思科技的ARC-V RMX-100D和RMX-500D系列處理器結(jié)合了RVV1.0與定制DSP指令，為需要高級(jí)信號(hào)處理的低功耗嵌入式應(yīng)用提供高度優(yōu)化且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。