手把手教你蜂鸟e203协处理器的扩展

NICE协处理器

赛题要求：
  对蜂鸟E203 RISC-V内核进行运算算子（譬如加解密算法、浮点运算、矢量运算等）的扩展，可通过NICE协处理器接口进行添加，也可直接实现RISC-V指令子集（譬如P扩展、F/D扩展、V扩展、B扩展、K扩展等）
  对于采用NICE协处理器接口进行的扩展实现，需要在蜂鸟软件开发平台HBird SDK中进行相关软件驱动的添加

• 实现思路：

  • 1.硬件设计，编写相应的verilog文件，需要注意的是NICE协处理器定义了一些基本的接口；
  • 2.编写驱动，通过内联汇编的伪指令.insn配置相关的驱动设置；
  • 3.编写用于测试的.C文件。

• 参考示例：

  • 背景： 假设有一个3行3列的矩阵按顺序存储在存储器中，每个元素都是32位的整数，目标进行逐行和逐列的累加和，若采用C语言调用主数据通路进行实现，基本思路是循环，按行/列读取各个元素然后相加得到各行/列的累加和，将其转换为汇编语言，则需要约上百个周期才能完成全部运算。
  

  • 硬件实现：(不太好写😭)
    (e203_hbirdv2-master\e203_hbirdv2-master\rtl\e203\subsys\e203_subsys_nice_core.v)

    ->NICE协处理器工作机理：👇

    • 请求通道：主处理器在流水线的EXU级时，将指令的编码信息和源操作数传输到协处理器。
    • 反馈通道：协处理器告诉主处理器其已完成了该指令，并将结果反馈到主处理器。
    • 存储器请求通道：协处理器向主处理器发起存储器读写请求。
    • 存储器反馈通道：主处理器向协处理器写回存储器读写结果。
    

    ->NICE示例协处理器的设计：
    控制模块(和主处理器通过NICE协处理器的接口进行交互)+累加器(累加运算)👆

    ->NICE示例协处理器的自定义指令👇

    

    ->verilog文件中包含内容：
    自定义指令的编码+各模块功能实现(以状态机实现的转换)

  • 软件驱动：
    (nuclei-board-labs-master\nuclei-board-labs-master\e203_hbirdv2\common\demo_nice\insn.h)
    基本格式：

    .insn r opcode, func3, func7, rd, rs1, rs2
    //.insn告知编译器当前的指令是.insn形式的指令
    //r用来表示指令类型为R-type
    //opcode、func3、func7、rd、rs1、rs2分别代表R类型指令格式的各位域

    具体实现：（累加和）

    // custom lbuf 
    __STATIC_FORCEINLINE void custom_lbuf(int addr)
    {
      int zero = 0;
      
      asm volatile (
        ".insn r 0x7b, 2, 1, x0, %1, x0"
            :"=r"(zero)
            :"r"(addr)
      );
    }
   
    // custom sbuf 
    __STATIC_FORCEINLINE void custom_sbuf(int addr)
    {
      int zero = 0;
      
      asm volatile (
        ".insn r 0x7b, 2, 2, x0, %1, x0"
            :"=r"(zero)
            :"r"(addr)
      );
    }
   
    // custom rowsum 
    __STATIC_FORCEINLINE int custom_rowsum(int addr)
    {
      int rowsum;
      
      asm volatile (
        ".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0"
              :"=r"(rowsum)
              :"r"(addr)
      );
      
      return rowsum; 
    }

  • 测试程序：(nuclei-board-labs-master\nuclei-board-labs-master\e203_hbirdv2\common\demo_nice\insn.c --> 功能实现；nuclei-board-labs-master\nuclei-board-labs-master\e203_hbirdv2\common\demo_nice\main.c --> 顶层文件，测试输出)

    /***********************************insn.c*********************************/
    // normal_case：通过主流水线来实现的累加操作
    int normal_case(unsigned int array[ROW_LEN][COL_LEN])
    {
      volatile unsigned char i=0, j=0;
      volatile unsigned int col_sum[COL_LEN]={0};
      volatile unsigned int row_sum[ROW_LEN]={0};
      volatile unsigned int tmp=0;
      for (i = 0; i < ROW_LEN; i++)
      {
        tmp = 0;
        for (j = 0; j < COL_LEN; j++)
        {
          col_sum[j] += array[i][j];
          tmp += array[i][j];
        }
        row_sum[i] = tmp;
      }
    }
   
    // nice_case：调用NICE协处理器实现的累加操作
    int nice_case(unsigned int array[ROW_LEN][COL_LEN])
    {
      volatile unsigned char i, j;
      volatile unsigned int col_sum[COL_LEN]={0};
      volatile unsigned int row_sum[ROW_LEN]={0};
      volatile unsigned int init_buf[3]={0};
   
      custom_lbuf((int)init_buf);
      for (i = 0; i < ROW_LEN; i++)
      {
        row_sum[i] = custom_rowsum((int)array[i]);
      }
      custom_sbuf((int)col_sum);
    }
   
    /***********************************main.c*********************************/
    // 主要就是调用两个函数然后输出结果
    int main(void)
    {
      int i=100;
      int arr[4]={1,2,3,4};
      unsigned int array[ROW_LEN][COL_LEN]=
                    {{10,20,30},
                    {20,30,40},
                    {30,40,50}
                                    };
      unsigned int begin_instret, end_instret, instret_normal, instret_nice;
      unsigned int begin_cycle,   end_cycle,   cycle_normal,   cycle_nice;
   
      printf("**********************************************\n");
      printf("** begin to sum the array using ordinary add sum\n");
      begin_instret =  __get_rv_instret();
      begin_cycle   =  __get_rv_cycle();
   
      normal_case(array);
   
      end_instret = __get_rv_instret();
      end_cycle   = __get_rv_cycle();
   
      instret_normal = end_instret - begin_instret;
      cycle_normal = end_cycle - begin_cycle;
      printf("\n\n");
   
      printf("**********************************************\n");
      printf("** begin to sum the array using nice add sum\n");
      begin_instret =  __get_rv_instret();
      begin_cycle   =  __get_rv_cycle();
   
      nice_case(array);
   
      end_instret = __get_rv_instret();
      end_cycle   = __get_rv_cycle();
   
      instret_nice = end_instret - begin_instret;
      cycle_nice   = end_cycle - begin_cycle;
   
      printf("**********************************************\n");
      printf("** performance list \n");
    
      printf("\t normal: \n");
      printf("\t      instret: %d, cycle: %d \n", instret_normal, cycle_normal);
      printf("\t nice  : \n");
      printf("\t      instret: %d, cycle: %d \n", instret_nice  , cycle_nice  );
   
      printf("**********************************************\n\n");
   
        printf("*     *  *     *   *****   *        *******   *** \n");
        printf("**    *  *     *  *     *  *        *          *  \n");
        printf("* *   *  *     *  *        *        *          *  \n");
        printf("*  *  *  *     *  *        *        *****      *  \n");
        printf("*   * *  *     *  *        *        *          *  \n");
        printf("*    **  *     *  *     *  *        *          *  \n");
        printf("*     *   *****    *****   *******  *******   *** \n");
    
      printf("\n\n**********************************************");
        return 0;
    }

  • 实际测试：

    • 法一：(不推荐)通过.c文件配置工程，参考这里(5.3. 无模板手动创建项目)

    • 法二：(推荐)

      • 创建HelloWorld例程，删除左侧相应工程目录下application/main.c文件
      
      • 将我们所编写的软件驱动文件和测试文件放入该目录下
      
      • 点击锤子🔨进行编译，做好硬件连接后，点击️️绿色的三角运行。

    采用NICE协处理器进行的累加所用的指令数和周期数都远小于普通情况，如下图所示👇。

  

• 一些疑惑：

  • 对于NICE协处理器和普通的情况，均进行了诸如循环读寄存器数据之类的操作，那么实现NICE协处理器相较于普通情况的优化体现在什么方面，节约的是进行取数+计算的时间，还是其他诸如循环控制等的时间；
  • 是否应该根据后续的系统及应用来判断进行什么样的扩展；
  • 对于添加了NICE协处理器的内核，其跑分结果应该有所提高，那么该如何通过跑分的程序测试出来；

3.NucleiStudio+Vivado联合仿真教程

  猜测后续的工作流程：

• Benchmark：
  Vivado中修改RTL设计-->NucleiStudio中跑分验证/Vivado中仿真验证（尝试跑通中）；

• 指令集扩展：
  Vivado中添加RTL设计+IDE中添加软件驱动-->NucleiStudio中验证功能/Vivado中仿真验证功能(当前尝试的NICE协处理器可仿真验证)

  编写了一个Nucleistudio+Vivado联合仿真的教程，或许会有用((😊💃。