Das Institut für Computertechnik als neues Mitglied der RISC-V- Community, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, hat die Vision, innovative Anwendungen von RISC-V, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster zu erforschen und zur Open-Source-Community beizutragen.

Embedded Systems sind ein unverzichtbarer Bestandteil in nahezu allen Bereichen des heutigen Lebens. Während die Designanforderungen stetig steigen, bedingen wachsende Einsatzfelder eine gewisse Vielseitigkeit dieser Systeme. Application Specific Instruction Set Processors (ASIPs) besitzen ein solches vielseitiges Grundset an Instruktionen, welches zur Effizienzsteigerung mit anwendungsspezifischen Custom Instructions (CIs) erweitert werden kann. Die aufstrebende Open-Source-Architektur RISC-V belebt dieses Thema mit neuen Herausforderungen. Die RISC-V-Community benötigt Tools zur Automatisierung des aufwendigen CI-Entwicklungsprozesses, vor allem, um dem Mangel an flexiblen Integrationslösungen für kompatible und wiederverwendbare Komponenten entgegenzuwirken. In dieser Arbeit wird FRANCIS-V vorgestellt, ein Framework zur Verringerung des Integrationsaufwands von CI-basierten Systemen. Das Framework generiert Coprozessoren basierend auf dem CORE-V eXtension Interface (XIF) der OpenHW Group und stellt ein zugehöriges RISC-V-Prozessorsystem, einen Compiler, einen Simulator, und Verifikationsfunktionen zur Verfügung. Weiters wird eine umfassende Analyse des CI-Entwicklungsprozesses präsentiert und Auswahl, Hardwaregenerierung, Integration und Verifikation von CIs als dessen herausforderndste Teilaufgaben identifiziert. Um die Zeit zu ermitteln, die durch den Einsatz von FRANCIS-V im Entwicklungsprozess gewonnen werden kann, wurden Expertenmeinungen eingeholt. Die Auswertung ergibt eine Zeitersparnis von etwa 16 Werktagen oder 34% der gesamten Entwicklungszeit. Die durch das Framework generierten Systeme werden weiters auf Basis der Anwendungsfälle AES und CRC beurteilt. Bei der Evaluierung ergibt sich eine deutliche Reduktion der benötigten Taktzyklen um bis zu 87.53% und nur ein geringfügiger LUT-
und FF-Utilization-Overhead von 0.85% und 2.75%, wodurch FRANCIS-V ähnliche Werte gegenüber vergleichbaren Tools erzielt. Die generierten Coprozessoren unterstützen ein vielfältiges Spektrum an CIs und sind kompatibel zu XIF-basierten RISC-V Prozessoren. In dieser Arbeit wird die Notwendigkeit von flexiblen und standardisierten RISC-V CI Interfaces betont und die Weiterentwicklung von CI-Integration und der übergeordneten CI-Entwicklungsautomatisierung
motiviert. FRANCIS-V trägt zur CI-Integration und Verifikation bei und ist im Hinblick auf ein Zusammenspiel mit zukünftigen Identifikations- und Hardwaregenerierungs-Tools konzipiert. Sowohl unerfahrene als auch versierte Entwickler können von dem optimierten CI-Entwicklungsprozess profitieren.

Betreuer: Axel Jantsch, Sofia Maragkou

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