Upgrade to Pro
— share decks privately, control downloads, hide ads and more …
Speaker Deck
Features
Speaker Deck
PRO
Sign in
Sign up for free
Search
Search
Intel系FPGA上へのRISC-Vプロセッサの実装
Search
Mutsuha Asada
January 14, 2025
Technology
510
0
Share
Intel系FPGA上へのRISC-Vプロセッサの実装
2024年度 情報特別演習II 最終発表
Mutsuha Asada
January 14, 2025
More Decks by Mutsuha Asada
See All by Mutsuha Asada
Reproducible Containers (ASPLOS'20)
momeemt
0
450
❄️ NixCon2025に参加した
momeemt
0
470
🔨 小さなビルドシステムを作る
momeemt
4
1.3k
情報科学類で学べる専門科目38選
momeemt
0
1k
❄️ tmux-nixの実装を通して学ぶNixOSモジュール
momeemt
1
900
Wasmで拡張できる軽量マークアップ言語 Brack
momeemt
0
600
❄️ NixOS/nixpkgsにSATySFiサポートを実装する
momeemt
2
800
情報科学若手の会 2024 LT「WebAssemblyで拡張可能な軽量マークアップ言語の開発」
momeemt
0
62
Nixでつくるdotfiles
momeemt
2
1.1k
Other Decks in Technology
See All in Technology
AWS認定資格は本当に意味があるのか?
nrinetcom
PRO
1
270
Azure Static Web Apps の自動ビルドがタイムアウトしやすくなった状況に対応した件/global-azure2026
thara0402
0
390
AIエージェントの権限管理 1: MCPサーバー・ツールの Fine grained access control 編
ren8k
3
490
マルチプロダクトの信頼性を効率良く保っていくために
kworkdev
PRO
0
150
Choose your own adventure in agentic design patterns
glaforge
0
130
AI時代のガードレールとしてのAPIガバナンス
nagix
0
250
M5Stack CoreS3とZephyr(RTOS)で Edge AIっぽいことしてみた
iotengineer22
0
130
最新の脅威動向から考える、コンテナサプライチェーンのリスクと対策
kyohmizu
1
700
AIを共同作業者にして書籍を執筆する方法 / How to Write a Book with AI as a Co-Creator
ama_ch
2
130
え!?初参加で 300冊以上 も頒布!? これは大成功!そのはずなのに わいの財布は 赤字 の件
hellohazime
0
160
QGISプラグイン CMChangeDetector
naokimuroki
1
390
Sansan Engineering Unit 紹介資料
sansan33
PRO
1
4.3k
Featured
See All Featured
What Being in a Rock Band Can Teach Us About Real World SEO
427marketing
0
210
SEO for Brand Visibility & Recognition
aleyda
0
4.5k
Improving Core Web Vitals using Speculation Rules API
sergeychernyshev
21
1.4k
Max Prin - Stacking Signals: How International SEO Comes Together (And Falls Apart)
techseoconnect
PRO
0
150
Cheating the UX When There Is Nothing More to Optimize - PixelPioneers
stephaniewalter
287
14k
"I'm Feeling Lucky" - Building Great Search Experiences for Today's Users (#IAC19)
danielanewman
231
23k
Context Engineering - Making Every Token Count
addyosmani
9
830
エンジニアに許された特別な時間の終わり
watany
106
240k
個人開発の失敗を避けるイケてる考え方 / tips for indie hackers
panda_program
122
21k
How to Ace a Technical Interview
jacobian
281
24k
Refactoring Trust on Your Teams (GOTO; Chicago 2020)
rmw
35
3.4k
Building Adaptive Systems
keathley
44
3k
Transcript
1 2024年度 情報特別演習II 最終発表 Intel系FPGA上への RISC-Vプロセッサの実装 浅田睦葉 情報科学類3年 アドバイザ教員: 冨安洋史先生
・Intel系のFPGAにRVI32命令を実装した ・Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7N ・FPGAとは ・ユーザーが自由にハードウェア回路を構成できる ・ハードウェア記述言語によって回路を記述 ・RVI32とは ・オープンソースのISAであるRISC-Vの
32bit整数命令セット ・CPUとして動作させるための最小限の命令が含まれている ・加算(add)、メモリ読み出し(lw)、メモリ書き込み(sw)など ・FENCEやCSRなど特殊な命令を除いて実装を行った 2 概要 評価用ボードのDE2-115
命令を処理する主な流れ ・CPUは主に5つの仕事を行う 32bitの命令列を読み出す 1. レジスタアドレスや即値を切り出す 2. メモリアドレスやレジスタ値を計算 3. メモリに値を読み書き 4.
レジスタに値を書き戻す 5. 3
4 パイプライン ・5つのステージを繋ぐとCPUとしては最低限 動作する ・メモリアクセスも含めると 7〜8クロックに1回しか命令を処理できない ・現代的なCPUのCPIは1~2前後 ・1を切ることも ・パイプラインを導入する ・各ステージを毎クロック並列に動かすことで
CPIを平均1.6に改善できる
・主な仕事 ・メモリから命令を読み出す ・プログラムカウンタを管理する ・プログラムカウンタ ・実行中の命令のアドレスを管理するレジスタ ・基本的には4ずつ増える ・ジャンプ命令などにより書き換わることもある 5 命令フェッチ
6 命令デコード ・主な仕事 ・命令をデコードする ・仕様書に従って命令列を分類する ・例えばADD命令をデコードする 00000001010101010000111110110011 ・① 0110011で、R-typeの命令とわかる ・②
000で、ADD命令とわかる ・③ 1つ目の入力レジスタのアドレスは01010 ・④ 2つ目の入力レジスタのアドレスは10101 ・⑤ 出力レジスタのアドレスは11111
7 レジスタファイル ・多くの場合でメモリアクセスは低速 ・通常の計算ではCPU内部のレジスタを用いる ・レジスタアドレスが5bitなので、32個のレジスタが必要 ・0番目のレジスタはゼロレジスタなので書き込みを無効に ・先ほどのADD命令の場合 ・01010 → 9番目のレジスタ
・10101 → 20番目のレジスタ ・11111 → 31番目のレジスタ
・レジスタから取り出したデータを使って実行する ・ADDの場合 ・2つの値を足し合わせる ・基本的に仕様に従って実装するだけ ・いくつか命令の実装を紹介 ・LW(ロード命令) ・JAL(ジャンプ命令) ・AUIPC(PC相対アドレス計算命令) 8 命令の実行
・ロード命令はメモリからデータを読み出す命令 ・1つ目の入力レジスタと即値を足し合わせたアドレス ・LB/LG/LW/LBU/LHUは読み込むサイズと符号の違いのみ 実行ステージでは単にメモリアドレスを計算するだけ 9 命令の実行(LW)
・ジャンプ命令は、プログラムカウンタの値を変更する命令 ・JAL命令は現在のPCに即値を足し合わせたものを新たなPCに ・レジスタに次の命令アドレスを書き込む ・branch_dest_addressに新しい値を書き込むと フェッチステージに入力されて プログラムカウンタの値が書き換わる 10 命令の実行(JAL)
・PC相対アドレス計算命令は、現在のプログラムカウンタの値に 即値を足し合わせた値をレジスタに格納する命令 ・位置独立コード(PIC)を実現するために使える ・各プロセスが自身の実行環境に合わせたコピーを持つ形で 共有ライブラリを実装できる 11 命令の実行(AUIPC)
・主な仕事 ・メモリから値を読み書きする ・アクセス方法はボードにより異なる ・今回はaltsyncramを使った ・内蔵メモリはサイズが非常に小さい ・データ領域を必要とする場合には難しい ・SRAMやSDRAMが付属していることも 12 メモリアクセス
・メモリの読み出し or 書き込み待ち 15 ストール
・レジスタの書き戻しを待たないと計算結果が破綻する場合 16 ストール
17 フォワーディング ・レジスタの書き戻し待ちに関しては フォワーディングで解決できる ・実行ステージの結果をデコードや実行など 前段のステージに送れば良い
19 テストベンチ ・動作を確認するためにテストベンチを実装した ・2000行以上 ・コアの実装より多い ・FPGA開発でもシミュレータと テストベンチを使えばCIで動作を ある程度保証しながら開発できる
20 まとめ ・Intel製のFPGAにRV32Iを (ほとんど) 実装した ・命令フェッチ→デコード→実行→メモリアクセス→書き戻し ・パイプラインを実装すれば愚直に実行するよりCPIを改善できる ・メモリアクセス待ち→CPUをストール ・レジスタの書き戻し→フォワーディングを実装すればストール させる必要がなくなる
・テストベンチの実装によりある程度CPUの挙動を保証できる ・今後は割り込みやMMUを実装することで自作OSやLinuxを動作 させることを目標にして進めていく