RISC-V（Reduced Instruction Set Computing-V）是一個開源指令集架構(gòu)（ISA），它的設(shè)計目標(biāo)是提供一個簡潔、可擴(kuò)展且高效的指令集，適用于各種應(yīng)用場景，從低功耗設(shè)備到高性能計算。易靈思提供完整的RISC-V 解決方案，致力于讓開發(fā)者和硬件設(shè)計人員可以根據(jù)需要自定義和擴(kuò)展指令集，且無需擔(dān)心專有技術(shù)的限制。

RISC-V的特點：

簡潔高效：RISC-V采用精簡的指令集，使得每條指令的執(zhí)行時間更短，提高了處理器的性能。

模塊化設(shè)計：RISC-V支持通過擴(kuò)展來增強處理器功能，比如加速浮點運算、增加原子操作指令等。

開源免費：RISC-V的開源性質(zhì)允許任何人使用、修改和擴(kuò)展指令集，降低了硬件開發(fā)的成本。

可定制性強：用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用需求，添加或刪除指令、修改處理器架構(gòu)。

易靈思提供的RISC-V IP支持用戶自定義指令。眾所周知，自定義指令不僅能夠提升特定算法的執(zhí)行效率，尤其是在涉及到計算密集型或硬件加速任務(wù)時，尤其重要。例如，在數(shù)字信號處理（DSP）、圖像處理或加密解密等應(yīng)用中，自定義指令能夠顯著提高處理速度，并降低處理延遲。通過使用易靈思的Sapphire RISC-V SoC IP核，開發(fā)者可以靈活配置和生成支持自定義指令的系統(tǒng)設(shè)計，充分利用FPGA硬件資源進(jìn)行定制化加速。這樣的設(shè)計不僅滿足了高性能計算的需求，也降低了開發(fā)復(fù)雜度和硬件成本。

本次講給大家介紹易靈思RISCV的自定義指令：

在Sapphire RISC-V SoC中，支持用戶定義的自定義指令，這使得開發(fā)者能夠加速特定的計算任務(wù)。自定義指令接口支持R型指令格式，并通過兩個寄存器（rs1 和 rs2）向自定義硬件邏輯傳輸數(shù)據(jù)。用戶可以定義最多1024個ID，每個ID對應(yīng)一個特定的功能。

接下來我們先看一下R指令的格式：

上圖是RISC-V手冊中的基礎(chǔ)的指令，我們需要重點看一下R指令格式，其中bit6:0是opcode，bit11:7是rd——作為輸出,bit14:12是function3，bit19:15是rs1,bit24:20是rs2，bit31:25是function7。

其中function3和function7共10bit，因此支持1024個功能ID。

自定義指令的使用方法：

RISCV DIE中定義指令：用戶可以通過定義一個特定的功能ID來指定指令的行為。

FPGA測處理 對應(yīng)的接口信號：

cmd_valid：指令是否有效，表明指令數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。

cmd_ready：表示硬件邏輯是否準(zhǔn)備好接收指令。

function_id：指定自定義指令的功能ID，用于標(biāo)識不同的自定義操作。

inputs_0 和 inputs_1：分別對應(yīng)傳遞到自定義硬件邏輯的兩個輸入寄存器 rs1 和 rs2。

rsp_valid：指示自定義指令的處理結(jié)果是否有效。

rsp_ready：表示處理器是否準(zhǔn)備好接收結(jié)果。

outputs_0：存儲自定義指令的處理結(jié)果，通常會返回到處理器寄存器中。

用戶自定義指令的時序圖：

其中function_id是R指令的function7和function3，{ function7, function3}。

用戶可以根據(jù)function_id和接收到的input0和input_1處理自己的邏輯，比如矩陣加速運算等。

那么在RISC-V開發(fā)中如何撰寫自己的代碼呢？其實在生成RISCV的參考例子中，我們可以看到有一個用戶自定義命令的demo(customInstructionDemo)，在這個例子中我們可以看到如下的代碼：

其中tea_l和tea_u傳入rs1和rs2的寄存器的值，也就是對應(yīng)時序圖中的input_0和input_1，CUSTOM0保持不變，其實等于0x0B，而第二個和第三個參數(shù)對應(yīng)的是function3和function7，對應(yīng)的是時序圖中的function_id信號，另外我們觀察這個宏定義，有句話：[rd] "=r" (__v) , 表示將匯編語句的結(jié)果輸出到一個名為__v的變量中，這個變量通過"=r"指定為一個通用寄存器（r）。rd是目標(biāo)寄存器，通常是結(jié)果存儲的地方。也就是接收將時序圖中的outputs_0信號，然后返回給C語言程序處理。

Demo采用一個加密算法，分別通過RISCV計算和FPGA測的邏輯計算進(jìn)行對比，其結(jié)果表明擁有36倍的加速性能：

自定義指令可以顯著提高特定算法的處理效率，尤其是在涉及到頻繁運算或者特定硬件加速的任務(wù)中，比如數(shù)字信號處理（DSP）、圖像處理或加密解密等。相信通過使用Efinix的Efinity軟件，開發(fā)者可以配置和生成支持自定義指令的Sapphire SoC設(shè)計，進(jìn)一步增強系統(tǒng)的功能與性能，加快您的設(shè)計。

隨著易靈思提供的Efinity開發(fā)平臺和RISC-V架構(gòu)的強大支持，開發(fā)者能夠在不依賴專有技術(shù)的前提下，根據(jù)具體應(yīng)用需求快速實現(xiàn)硬件加速方案。這種高度可定制性使得RISC-V架構(gòu)在面向未來的計算密集型應(yīng)用中，具有巨大的潛力和競爭優(yōu)勢。通過自定義指令的靈活應(yīng)用，開發(fā)者能夠在實現(xiàn)高性能和低功耗的同時，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的整體效率和可靠性。

因此，無論是在高效的硬件加速應(yīng)用中，還是在需要快速響應(yīng)和高吞吐量的實時系統(tǒng)中，易靈思的RISC-V IP核與自定義指令的結(jié)合，提供了一個理想的解決方案，助力開發(fā)者在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)創(chuàng)新，推動技術(shù)的快速發(fā)展。

易靈思公司介紹

易靈思是一家國產(chǎn)FPGA公司，總部位于深圳前海。公司憑借自主可控的Quantum硬件架構(gòu)，采用邏輯和路由可以互換的XLR結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計與軟件算法，使得FPGA產(chǎn)品具備低功耗、小體積、高密度、高性能等優(yōu)勢。已量產(chǎn)的40nm Trion系列及16nm鈦金系列 FPGA產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、顯示、工業(yè)控制、醫(yī)療、汽車、AI和通信等終端領(lǐng)域。

重要產(chǎn)品

鈦金系列FPGA具有增強的Quantum架構(gòu)，16nm工藝，35K 至 1,000K 邏輯單元，超高性能 300-500MHz，封裝最小可至3.5mm*3.4mm@60K LE，功耗低至競爭對手的1/4，硬核資源豐富，最新產(chǎn)品TJ375現(xiàn)已量產(chǎn)。