一種RISC-V芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品與流程

本發(fā)明涉及面向電力業(yè)務(wù)應(yīng)用的芯片設(shè)計(jì)，具體涉及一種risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對(duì)高性能和低功耗處理器芯片的需求不斷增加?，F(xiàn)有的處理器架構(gòu)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和高實(shí)時(shí)性要求時(shí)，常常面臨性能瓶頸和能耗問(wèn)題。risc-v(reduced?instruction?set?computer?version?five，第五代精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))作為一種開(kāi)放的指令集架構(gòu)，因其靈活性和可定制性，為電力業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了一種有力的處理器解決方案。然而，如何充分發(fā)揮risc-v芯片在電力業(yè)務(wù)中的潛力，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，包括指令集優(yōu)化、內(nèi)存系統(tǒng)優(yōu)化、并行計(jì)算優(yōu)化和硬件加速器設(shè)計(jì)等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品，能夠顯著提升risc-v芯片在電力業(yè)務(wù)應(yīng)用中的性能和能效，為電力行業(yè)提供高效、可靠的處理器解決方案，推動(dòng)電力行業(yè)向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明有如下的技術(shù)方案：

3、第一方面，提供一種risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，包括依次由指令、內(nèi)存、并行計(jì)算到硬件加速器進(jìn)行優(yōu)化：

4、指令優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)和添加專(zhuān)用指令提高數(shù)據(jù)處理效率和指令執(zhí)行速度；

5、內(nèi)存優(yōu)化，分別通過(guò)調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)、引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制以及設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率，減少內(nèi)存訪問(wèn)延遲；

6、并行計(jì)算優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)支持多線程并行執(zhí)行的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多線程并行計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行；

7、硬件加速器優(yōu)化，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件加速器，滿足特定計(jì)算任務(wù)的需求。

8、作為一種優(yōu)選的方案，所述通過(guò)設(shè)計(jì)和添加專(zhuān)用指令提高數(shù)據(jù)處理效率和指令執(zhí)行速度的步驟包括：

9、設(shè)計(jì)和添加單指令多數(shù)據(jù)simd指令，支持同時(shí)進(jìn)行多數(shù)據(jù)操作；

10、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化位操作指令，簡(jiǎn)化位操作的執(zhí)行過(guò)程。

11、作為一種優(yōu)選的方案，所述設(shè)計(jì)和添加單指令多數(shù)據(jù)simd指令，支持同時(shí)進(jìn)行多數(shù)據(jù)操作的步驟包括：通過(guò)矢量加法指令，將vs1和vs2寄存器中的對(duì)應(yīng)元素相加，并將結(jié)果存儲(chǔ)在vd寄存器中。

12、作為一種優(yōu)選的方案，所述設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化位操作指令，簡(jiǎn)化位操作的執(zhí)行過(guò)程包括：

13、清除rs1寄存器中指定位置的位，并將結(jié)果存儲(chǔ)在rd寄存器中；

14、將rs1寄存器中指定位置的位設(shè)置為1，并將結(jié)果存儲(chǔ)在rd寄存器中。

15、作為一種優(yōu)選的方案，所述調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)的步驟包括將數(shù)據(jù)加載到rd寄存器，設(shè)定基地址為rs1，偏移量為imm，通過(guò)調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)和替換策略，提高數(shù)據(jù)緩存命中率，減少訪問(wèn)延遲。

16、作為一種優(yōu)選的方案，所述引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制的步驟包括將位于基地址rs1加偏移量imm的數(shù)據(jù)預(yù)取到緩存中，通過(guò)引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制根據(jù)程序執(zhí)行特性預(yù)先將可能需要的數(shù)據(jù)加載到緩存中。

17、作為一種優(yōu)選的方案，所述設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的步驟包括將對(duì)齊的數(shù)據(jù)加載到rd寄存器中，設(shè)定基地址為rs1，偏移量為imm，通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，采用更大的緩存容量或更快的存儲(chǔ)介質(zhì)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

18、作為一種優(yōu)選的方案，所述并行計(jì)算優(yōu)化的步驟實(shí)現(xiàn)以下多線程并行計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行：

19、啟動(dòng)新線程start_thread；以rs1為數(shù)據(jù)地址將數(shù)據(jù)加載到rd寄存器load?rdrs1；執(zhí)行計(jì)算任務(wù)computerd；以rs2為結(jié)果存儲(chǔ)地址存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果storerd?rs2。

20、作為一種優(yōu)選的方案，所述設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件加速器，滿足特定計(jì)算任務(wù)的需求的步驟包括：

21、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的快速傅里葉變換硬件加速器，加速信號(hào)處理的計(jì)算過(guò)程；

22、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的矩陣乘法硬件加速器，加速矩陣計(jì)算的執(zhí)行；

23、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)壓縮硬件加速器，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少存儲(chǔ)空間；

24、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的加密和解密硬件加速器，提供數(shù)據(jù)加密和解密功能。

25、第二方面，提供一種risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括指令優(yōu)化模塊、內(nèi)存優(yōu)化模塊、并行計(jì)算優(yōu)化模塊和硬件加速器優(yōu)化模塊，分別執(zhí)行依次由指令、內(nèi)存、并行計(jì)算到硬件加速器進(jìn)行優(yōu)化：

26、指令優(yōu)化模塊，用于通過(guò)設(shè)計(jì)和添加專(zhuān)用指令提高數(shù)據(jù)處理效率和指令執(zhí)行速度；

27、內(nèi)存優(yōu)化模塊，用于分別通過(guò)調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)、引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制以及設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率，減少內(nèi)存訪問(wèn)延遲；

28、并行計(jì)算優(yōu)化模塊，用于通過(guò)設(shè)計(jì)支持多線程并行執(zhí)行的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多線程并行計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行；

29、硬件加速器優(yōu)化模塊，用于設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件加速器，滿足特定計(jì)算任務(wù)的需求。

30、作為一種優(yōu)選的方案，所述指令優(yōu)化模塊通過(guò)設(shè)計(jì)和添加專(zhuān)用指令提高數(shù)據(jù)處理效率和指令執(zhí)行速度的步驟包括：

31、設(shè)計(jì)和添加單指令多數(shù)據(jù)simd指令，支持同時(shí)進(jìn)行多數(shù)據(jù)操作；

32、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化位操作指令，簡(jiǎn)化位操作的執(zhí)行過(guò)程；

33、所述設(shè)計(jì)和添加單指令多數(shù)據(jù)simd指令，支持同時(shí)進(jìn)行多數(shù)據(jù)操作的步驟包括：通過(guò)矢量加法指令，將vs1和vs2寄存器中的對(duì)應(yīng)元素相加，并將結(jié)果存儲(chǔ)在vd寄存器中；

34、所述設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化位操作指令，簡(jiǎn)化位操作的執(zhí)行過(guò)程包括：

35、清除rs1寄存器中指定位置的位，并將結(jié)果存儲(chǔ)在rd寄存器中；

36、將rs1寄存器中指定位置的位設(shè)置為1，并將結(jié)果存儲(chǔ)在rd寄存器中。

37、作為一種優(yōu)選的方案，所述內(nèi)存優(yōu)化模塊調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)的步驟包括將數(shù)據(jù)加載到rd寄存器，設(shè)定基地址為rs1，偏移量為imm，通過(guò)調(diào)整緩存結(jié)構(gòu)和替換策略，提高數(shù)據(jù)緩存命中率，減少訪問(wèn)延遲；所述內(nèi)存優(yōu)化模塊引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制的步驟包括將位于基地址rs1加偏移量imm的數(shù)據(jù)預(yù)取到緩存中，通過(guò)引入內(nèi)存預(yù)取機(jī)制根據(jù)程序執(zhí)行特性預(yù)先將可能需要的數(shù)據(jù)加載到緩存中；所述內(nèi)存優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的步驟包括將對(duì)齊的數(shù)據(jù)加載到rd寄存器中，設(shè)定基地址為rs1，偏移量為imm，通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，采用更大的緩存容量或更快的存儲(chǔ)介質(zhì)，提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

38、作為一種優(yōu)選的方案，所述并行計(jì)算優(yōu)化模塊實(shí)現(xiàn)以下多線程并行計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行：

39、啟動(dòng)新線程start_thread；以rs1為數(shù)據(jù)地址將數(shù)據(jù)加載到rd寄存器load?rdrs1；執(zhí)行計(jì)算任務(wù)computerd；以rs2為結(jié)果存儲(chǔ)地址存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果storerd?rs2。

40、作為一種優(yōu)選的方案，所述硬件加速器優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件加速器，滿足特定計(jì)算任務(wù)的需求的步驟包括：

41、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的快速傅里葉變換硬件加速器，加速信號(hào)處理的計(jì)算過(guò)程；

42、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的矩陣乘法硬件加速器，加速矩陣計(jì)算的執(zhí)行；

43、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)壓縮硬件加速器，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少存儲(chǔ)空間；

44、設(shè)計(jì)專(zhuān)用的加密和解密硬件加速器，提供數(shù)據(jù)加密和解密功能。

45、第三方面，提供一種電子設(shè)備，包括處理器和存儲(chǔ)器，所述處理器用于執(zhí)行存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)所述的risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

46、第四方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有至少一個(gè)指令，所述至少一個(gè)指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

47、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的第一方面至少具有如下的有益效果：

48、本發(fā)明risc-v芯片軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法從底層的指令出發(fā)，依次由指令、內(nèi)存、并行計(jì)算到硬件加速器進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)指令集優(yōu)化、內(nèi)存系統(tǒng)優(yōu)化、并行計(jì)算優(yōu)化和硬件加速器設(shè)計(jì)，顯著提高了芯片的性能和能效，滿足電力業(yè)務(wù)的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需求。通過(guò)優(yōu)化指令集和內(nèi)存系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)處理速度，增強(qiáng)了芯片的計(jì)算能力，以應(yīng)對(duì)電力業(yè)務(wù)中日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求。通過(guò)優(yōu)化risc-v芯片硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，減少了芯片能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，滿足電力設(shè)備對(duì)高能效的要求。通過(guò)并行計(jì)算優(yōu)化和硬件加速器設(shè)計(jì)，提高了芯片對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)能力，確保在各種環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明采用協(xié)同設(shè)計(jì)策略，提高了芯片的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，確保在電力業(yè)務(wù)中的高效運(yùn)行。本發(fā)明為電力行業(yè)提供了一種高效、可靠的處理器方案，推動(dòng)電力行業(yè)向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

49、可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以參見(jiàn)上述第一方面中的相關(guān)描述，在此不再贅述。