论文标题：RVAM16: a low-cost multiple-ISA processor based on RISC-V and ARM Thumb

期刊：Frontiers of Computer Science

作者：Libo HUANG, Jing ZHANG, Ling YANG, Sheng MA, Yongwen WANG, Yuanhu CHENG

发表时间：15 Jan 2025

DOI： 10.1007/s11704-023-3239-x

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引用格式：

Libo HUANG, Jing ZHANG, Ling YANG, Sheng MA, Yongwen WANG, Yuanhu CHENG. RVAM16: a low-cost multiple-ISA processor based on RISC-V and ARM Thumb. Front. Comput. Sci., 2025, 19(1): 191103

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问题概述

随着嵌入式领域的快速发展，越来越多优秀的指令集架构被用于嵌入式处理器的设计。软件兼容是从一个指令集迁移到另一个指令集时不可避免的问题。解决不同指令集之间的软件兼容问题有助于避免重新开发软件的额外成本，同时可以缓解新兴指令集前期缺乏软件生态的困境。直接将桌面或者服务器领域解决软件兼容的软件二进制翻译系统用于嵌入领域存在性能及功耗方面的限制。

针对嵌入式领域的软件兼容问题，国防科技大学黄立波教授团队撰写了该文。文章分析了现有软硬件方法解决嵌入式领域的软件兼容问题的局限性，提出了基于二进制翻译的多指令集处理器解决方案。

技术步骤

针对目前嵌入式领域最流行的两种指令集：RISC-V和ARM Thumb，该团队提出了基于硬件二进制翻译的多指令集处理器：RVAM16，来解决它们之间的软件兼容问题。该多指令集处理器不仅避免了软件动态二进制翻译系统的启动时间和额外的运行时间，而且避免了静态二进制翻译在处理自修改代码等问题上的困境，支持运行所有非原生指令集程序。

RVAM16通过在RISC-V流水线中硬件优化ARM Thumb的条件标志位、分支指令和条件执行指令，显著降低了翻译ARM Thumb指令到RISC-V指令的翻译比，从而减小了运行原生指令集程序和非原生指令集程序之间的性能差距。此外，为了将RVAM16的面积和功耗控制在可接受的范围内，研究团队还通过分时复用16位数据通路技术来实现32位处理器。

最后，研究团队实现了一个同时支持RV32IMC和ARMv6-M的RVAM16原型处理器，并对其在性能，面积和功耗方面的表现进行了评估。

实验结果

结果表明，在运行非原生ARM Thumb程序时，RVAM16的性能是仅使用硬件二进制翻译的2.73倍以上，达到运行原生RISC-V程序性能的70%以上。在面积和功耗方面， RVAM16与具有相似功能的传统单指令集处理器相比也具有一定的优势。

此外，研究团队指出通过对二进制翻译器和相关硬件优化单元进行适当的调整，可以有效地利用所提出的架构来支持任何两种不同的指令集。因此，RVAM16微架构有潜力成为嵌入式领域解决来自不同指令集软件兼容挑战的一种通用解决方案。

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Frontiers of Computer Science

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