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基于GEM5的RISC-V乱序内核微架构参数优化研究
集成电路应用
黄旭东,田亚南,洪泽
中国电子科技集团公司第五十八研究所
摘要: 针对RISC-V乱序超标量处理器在嵌入式场景下的微架构参数优化,该系统基于GEM5 v25.1的RiscvO3CPU建立仿真模型,以CoreMark、Dhrystone、Whetstone、Embench(crc32、matmult-int)为目标基准,并用SPEC CPU2006(mcf、bzip2_ref)交叉验证,系统考察发射宽度、ROB、LQ/SQ、物理寄存器堆及功能单元等参数对性能与能效的影响。实验表明:嵌入式负载对功能单元敏感,ALU由2减至1时CoreMark IPC下降37.5%;发射宽度达到3时即趋于饱和;ROB、访存队列、寄存器堆的饱和点分别为64项、32/32项、96/96项。采用McPAT 22 nm工艺评估功耗,EDP分析显示基线配置在嵌入式场景下能效最优。
中图分类号:TP302文献标识码:ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.010.003
中文引用格式:黄旭东,田亚南,洪泽. 基于GEM5的RISCV乱序内核微架构参数优化研究[J].集成电路应用,2026,43(10):14-18.
英文引用格式:Huang Xudong,Tian Yanan,Hong Ze. Research on microarchitecture parameter optimization of a RISCV outoforder core based on GEM5[J].Application of IC,2026,43(10):14-18.
esearch on microarchitecture parameter optimization of a RISC-V out-of-order core based on GEM5
Huang Xudong,Tian Yanan,Hong Ze
The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group
Abstract: This study optimizes microarchitecture parameters for an out-of-order RISC-V superscalar processor in embedded scenarios. A simulation model was built on GEM5 v25.1 with the RiscvO3CPU core, using CoreMark, Dhrystone, Whetstone, and Embench (crc32, matmult-int) as embedded benchmarks, and cross-validated with SPEC CPU2006 (mcf, bzip2_ref). The effects of issue width, reorder buffer (ROB), load/store queue (LQ/SQ), physical register file, and functional units on performance and energy efficiency were systematically investigated. Experimental results showed that embedded workloads were highly sensitive to functional unit configuration: reducing integer ALUs from 2 to 1, while degrading CoreMark IPC by 37.5%. An issue width of 3 already saturated CoreMark performance. Saturation points for ROB size, LQ/SQ depth, and physical register file were 64 entries, 32/32 entries, and 96/96 entries, respectively. Power and energy efficiency were evaluated using the McPAT 22 nm process model. EDP analysis indicates that the baseline configuration achieves the best energy-efficiency trade-off for embedded applications.
Key words : RISC-V; out-of-order core; GEM5; microarchitecture parameter optimization

引言

RISC-V架构凭借开源、模块化、可扩展的特性,在嵌入式与边缘计算领域获得广泛应用;以香山为代表的开源高性能RISC-V处理器表明,开源模式同样可以支撑先进乱序超标量微架构的设计与实现[1]。乱序超标量执行作为提升指令级并行度的关键技术,已成为高性能嵌入式处理器设计的核心方案[2]。围绕RISC-V处理器的研究正沿多条路线展开,包括面向高性能乱序核的指令扩展框架[3]、大模型辅助的SoC敏捷设计方法[4]、微架构设计空间探索的加速方法[5]、基于灵敏度分析的参数优化方法[6]等。

然而,当前RISCV乱序处理器的微架构参数设计多基于设计者经验或面向通用负载的启发式配置,缺乏针对嵌入式典型负载的系统化量化分析。嵌入式场景对面积与功耗高度敏感,各参数“够用即可”的边界需要通过实验数据加以界定。

本文的研究目标如下:(1)在GEM5仿真平台中构建基于RiscvO3CPU的RISC-V乱序内核基线模型,建立可量化的微架构参数分析框架;(2)以CoreMark、Dhrystone、Whetstone及Embench子集为优化目标,系统分析核心微架构参数的灵敏度;(3)通过单因素实验给出面向嵌入式负载的最优参数配置;(4)引入SPEC CPU2006基准作为通用负载对照,检验嵌入式优化结论的适用边界。


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作者信息:

黄旭东,田亚南,洪泽

(中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035)

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