Implementation and Evaluation of Direct Segments in the Rocket Chip Generator

Abstract

Ο RISC-V ISA αποτελεί μία ανοιχτή Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, βασισμένη στην αρχιτεκτονική RISC λίγων, απλών και γενικών εντολών, σχεδιασμένων να βελτιώσουν την αποδοτικότητα και να μειώσουν την κατανάλωση ισχύς. Μία από τις κύριες υλοποιήσεις του είναι το Rocket Chip Generator, το οποίο είναι ένα ανοιχτού κώδικα System-On-Chip που χρησιμοποιεί τη γλώσσα κατασκευής υλικού Chisel, που προσφέρει υψηλό βαθμό δομικότητας και επαναχρησιμοποίησης. Αποτελεί μία βιβλιοθήκη παραμετροποιήσιμων μερών επεξεργαστών και επιτρέπει την ταχεία ανάπτυξη και προσαρμογή μικρών ενσωματωμένων επεξεργαστών, μέχρι και πολύπλοκων πολυπύρηνων συστημάτων. Η ανοιχτή φύση του RISC-V και η ανοιχτή υλοποίηση του Rocket Chip Generator, αποδείχτηκε σημαντικό στοιχείο για την ευρεία αποδοχή τους από τη βιομηχανία αλλά και για τη χρήση τους σε πολλές ερευνητικές εργασίες. Στην παρούσα εργασία ερευνούμε την υλοποίηση και αξιολόγηση των Direct Segments (DS) στον Rocket Chip Generator. Τα DS αποτελούν μία τεχνική διαχείρισης της μνήμης κατά την οποία μεγάλα συνεχόμενα κομ- μάτια εικονικής μνήμης χαρτογραφούνται σε μεγάλα συνεχόμενα κομμάτια φυσικής μνήμης. Η ανάπτυξη των DS χωρίστηκε σε δύο μέρη, τη ροή ανάπτυξης υλικού και τη ροή ανάπτυξης λογισμικού. Για την ανάπτυξη κυκλώματος DS χρησιμοποιήθηκαν εργαλεία προσομοίωσης υ- λικού και συγκεκριμένα ο Verilator, καθώς και το FireSim. Παράλληλα με το TLB που είναι μία μικρή κρυφή μνήμη που κρατάει τις μεταφράσεις από εικονικές σε φυσικές διευθύνσεις μνήμης, υλοποιούμε το DS που δίνει τη μετάφραση εικονικών διευθύνσεων, αν εμπίπτουν μέσα στο Direct Segment. Για τη διαχείριση των DS από το λειτουργικό, τροποποιούμε το MMU του Linux χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό CMA, ώστε κάθε διεργασία να μπορεί να δεσμέυ- σει χώρο στο DS. Η ανάλυση της επίδοσης εξετάζεται χρησιμοποιώντας μετροπρογράμματα της σουίτας SPEC2017 με το FireSim, ο οποίος επιτρέπει την γρήγορη προσωμοίωση του Rocket Chip στο Xilinx Alveo U250 FPGA board. Η υλοποίηση μας εμφανίζει μείωση α- στοχιών TLB έως 87%, με συνολική επιτάχυνση έως 28% όσον αφορά τον συνολικό χρόνο εκτέλεσης των μετροπρογραμμάτων.