龙芯指令系统架构技术

介绍了统筹考虑先进性和兼容性要求的龙芯指令系统架构——龙架构(LoongArch).LoongArch吸纳了近年来指令系统设计领域诸多先进的技术发展成果,易于高性能低功耗的实现和编译优化;融合了各种国际主流指令系统的主要功能特性,不仅能够确保现有龙芯电脑上应用二进制的无损迁移,而且能够实现多种国际主流指令系统的高效二进制翻译.LoongArch已经被实现于龙芯中科技术股份有限公司研制的3A5000四核CPU.SPEC CPU2006的实验结果表明,在相同微结构下,LoongArch性能比龙芯CPU原指令系统MIPS平均提升超过7%.在硬件辅助支持下,SPEC CPU2000程序从MIPS翻译到LoongArch可以实现无损翻译,其定点程序子集和浮点程序子集从x86翻译到LoongArch的效率分布达QEMU二进制翻译器的3.6倍和47.0倍.LoongArch有望消除指令系统之间的壁垒,使得不同指令集的软件能够融合到统一的LoongArch平台上,不加区别地高效运行.

专访龙芯中科董事长胡伟武:“老实是最大的捷径”

中国发展集成电路产业成功的标志,是打造出世界上第三套生态体系,我国计算机发展现在是第三阶段,目标是在市场化条件下实现自主性,现在还是有不少地方依赖“市场换技术”的模式,多款CPU、整机产线一拥而上,以此作为实现“高质量发展”的新机会。买一条传送带只要几万元,再买一些螺丝刀和桌子,一条整机组装线就建好了,但整机组装是整个信息产业链中最不值钱的部分发展核心技术不要幻想“弯道超车”,像芯片这样的高复杂系统能力建设需要以30年为周期,不能经常“翻烧饼”,别人封锁时我们自己研制,别人放开了我们又放弃自主。龙芯已经干了20年了,相信再有10年,我们能初步建成第三套体系。

基于国产处理器的智能大数据一体机架构及应用研究

分析比较国内外智能芯片产品现状,概述智能芯片的相关软硬件技术栈,针对国内大数据与人工智能产业支撑体系尚不完善、尚未建立国产化信息处理安全保障体系的问题,提出基于国产芯片自主研发的智能大数据一体机研究与设计。解决基础设施的运维部署、海量数据存储以及时效性处理等问题,通过对比异构计算系统的分析研究,文中提出的基于国产CPU和NPU异构硬件加速的一体化计算平台具有信息安全、领域普适性强、运行效率高等特点。

基于紧耦合加速器的高性能Java压缩系统

Java无损压缩应用广泛,尽管软件算法在不断改进,但仍然存在压缩速度慢、耗时严重等问题。本文使用领域前沿的紧耦合框架集成压缩加速器的处理器平台,设计了一个高性能Java压缩系统,在Java虚拟机(JVM)内部实现了对紧耦合无损压缩加速器的封装,并为其提供了轻量级运行时环境。本系统可以有效减少通信开销、避免数据拷贝问题,具有易编程、快速压缩的特点,充分发挥加速器给Java压缩带来的性能优势。实验结果表明,此系统大幅提升了Java压缩性能,压缩速度达到主流Java Gzip软件压缩的63倍,最高可达247倍,且在大数据集下性能提升更显著。

面向设备直通的高效低延时的中断直通方法

针对对称多处理器(SMP)虚拟机(VM)的虚拟中央处理器(vCPU)调度延迟会降低虚拟机输入/输出(I/O)响应性的问题,本文基于设备直通提出了一种高效低延迟的中断直通方法。该方法基于硬件辅助技术,搭建了中断直通架构,并设计了中断重定向机制,将直通设备中断从被抢占的vCPU重定向至正在运行的vCPU。实验结果表明,网络往返时延平均减少了34.1%,吞吐量最高提升7.9%,Apache测试每个服务器请求所需时间平均减少了13.6%,磁盘I/O操作时延平均减少了6.7%~8.4%。实验结果证明,该方法能有效减少虚拟机虚拟CPU调度对I/O延迟的影响,提高虚拟机I/O响应性。

龙芯UNCACHE加速原理及其在系统图形性能优化中的应用

针对当前采用独立显卡的桌面计算机系统架构普遍存在的CPU（中心处理单元）访问GPU（图形处理单元）存储空间数据传输延迟较大的瓶颈，采用了龙芯GS464处理器核心实现的UA（uncache acceleration）机制对GPU驱动程序中的GPU存储空间访问接口进行优化，极大地提高了处理器向GPU等IO存储空间连续数据写入的速度。详细分析了龙芯处理器uA机制的原理及其相对于uncache方式IO写所能带来的性能提升。通过UA机制优化了龙芯3A＋2H平台的GPU驱动性能，x11perf测试结果显示，采用UA优化GPU驱动后，Xserver的一些接口性能提升达5％～230％。将龙芯处理器的UA机制封装到了标准MMAP系统调用，并通过该扩展后的系统调用优化了Xserver的Xvideo扩展接口，实验结果显示，播放常见较高分辨率视频时该接口性能能够有6～12倍的性能提升。

基于行内局部性的内存控制器端预取

本文提出一种基于行内局部性的内存控制器端预取。采用位图的数据结构记录行内每个数据块的状态;并且对每一行进行区域划分,量化每个区域的访问局部性;根据区域内的局部性高低决定预取的激进程度。对于局部性较低的区域,预取区域内未被访问过的数据块;对于局部性较高的区域,同时采用跨区域的预取。通过动态调整区域规模的大小来适应局部性程度的变化。上述预取方法在龙芯3A6000处理器上实现并评测,评测程序采用SPEC CPU2006访存密集型应用。评测结果显示本文的预取方法将每周期指令数(IPC)平均提升6.51%,将单线程IPC最高提升46.80%(bwaves),将双核四线程IPC最高提升26.22%(lbm)。

基于龙芯开源CPU的计算机组成原理实验课程改革

以基于龙芯开源CPU的计算机组成原理实验平台为载体,结合该实验平台在高校的试点使用成果,详细探讨新一代实验平台在教学中的利弊以及可改进的方向,并对存在的问题提出建议和思考。

基于OpenMP的硅晶体分子动力学模拟的空间分解着色及向量化研究

作为材料领域虚拟过程工程研究的热点之一,硅晶体分子动力学采用Tersoff多体势进行模拟;多体势中粒子间相互作用计算量大,且数据之间存在依赖关系,在并行架构上高效、准确地进行大规模模拟面临写冲突和计算效率低2个挑战。为了解决以上问题,在OpenMP共享内存编程模型的基础上,结合硅晶体粒子特性实施了一系列面向硅晶体分子动力学应用的优化方法,以提高模拟效率:(1)在大规模线程级并行模拟过程中,利用空间分解图着色思想消除粒子之间的数据依赖,从而有效解决写冲突问题;(2)针对核心计算程序段,采用整体向量化的方式提高核心计算效率,并利用级数估计实现超越函数,以实现Tersoff多体势在多核处理器上的并行优化。实验结果表明,在X86平台上Tersoff多体势具有很好的优化潜力,空间分解图着色和向量化方法在硅晶体应用上具有可行性和可扩展性,能够有效地解决由数据交叉导致的写冲突以及计算密集型优化问题,最终加速比可达23.17。

龙芯CPU15年研发历程

4月16日,美国商务部网站发布公告,7年内禁止美国企业向中兴通讯出口任何技术、产品。此公告发布之后,引发了全球业界和公众的广泛关注,特别是事件背后折射出的中国在芯片领域的缺憾更是引发了国内各界的反思、讨论。其实,如今国内冰箱、洗衣机、空调等产品所使用的芯片大部分是国产品牌,但在通信、工业等领域,国产芯片仍与国际先进水平有较大的差距。比如人们几乎每天都会用到的电脑内的CPU（中央处理器）就是芯片中的一种,是芯片研发领域中难度最大的一类芯片,目前CPU市场也几乎被英特尔与AMD两家公司垄断。

基于龙芯多路处理器平台的操作系统实验课程改革

操作系统是计算机科学与技术专业重要的主干课程,随着微处理器技术的不断发展,如何在操作系统层次发挥多核处理器的性能成为近年来的研究热点。文章从操作系统原理实验课程出发,以龙芯多路处理器平台为载体,提出分层次的操作系统实验改革方案,阐述如何通过不同层次、不同考核目标的实践教学方案,强化学生的动手能力和系统层软件开发能力,对提高学生对操作系统运行机理理解有重要意义。

业财融合下的企业全面预算管理研究

随着我国市场经济的不断健全与发展,我国经济的高速增长给众多企业带来了前所未有的机遇。目前,业财融合已经成为一种新的潮流,而传统的财务工作职能也要发生更大的变化。全面预算管理是企业实现效益最大化,提升企业竞争力的有效途径,采用业财融合的理念,为全面预算管理工作的开展创造了良好的条件。另外伴随着人类社会的不断进步,市场的竞争也在不断加剧。一方面,企业要积极应对来自外部环境的种种挑战,同时也要转变传统的经营方式,在企业的内部治理中引入数字化的管理模式。业财融合是提升企业财务管理水平的重要一环,为了增强企业在市场上的竞争能力,企业必须由传统的财务管理方式转向业财融合的管理方式,从而为提高企业的经营效率和更好地实现全面预算管理创造良好条件。

龙芯3号多核处理器的低功耗测试技术

龙芯3号是一款低功耗处理器芯片,要求测试时保持较低功耗.为了解决低功耗测试的问题,对龙芯3号测试功耗进行了细致分析,提出一套考虑测试时间和测试开销的低功耗测试方案,并对整套方案中的各种技术在功耗、面积、时延以及测试时间等方面进行了详细分析.针对龙芯3号测试功耗主要消耗在逻辑电路的翻转和测试时钟网络上的特点,采用IP级测试分割技术减少逻辑电路和时钟网络的翻转;采用门控时钟对局部扫描触发器进行控制减少单核扫描捕获期间的逻辑翻转,并采用了阻隔门技术、不关心位(X位)填充技术减少单核扫描移位的逻辑翻转.实验结果表明,龙芯3号4核处理器达到了预定小于15W的测试平均功耗需求,单个IP核最大平均功耗降低为6W左右,约是正常功能平均功耗的40%,有效地保证了芯片的测试质量.

基于龙芯的Windows软件运行环境的设计与实现

龙芯处理器在国产处理器市场占有重要地位.由于龙芯采用的是MIPS指令集且主要支持Linux操作系统,然而目前在该平台上的应用软件还相对匮乏,且很多传统Windows软件也无法在该平台上直接运行,这使得龙芯处理器的推广与应用受到了影响.针对这一问题,提出了一种在龙芯平台上基于Wine来提供Windows虚拟执行环境,并通过将Wine和Bochs模拟器相结合完成X86指令集到MIPS指令集翻译的解决方案.该方案能够实现Windows程序在零修改情况下直接运行在龙芯平台上,可支持Delphi,C,C++等多种语言开发的程序,以及网络、数据库等多种功能.测试表明:该系统运行稳定,但还存在不可忽略的性能影响.

基于龙芯3A2000处理器的高性能Goto BLAS库的实现

用Linpack测试集测试了计算机系统浮点性能,测试用函数运算库为Goto BLAS库。该库对Linpach的测试结果有很大影响。为了提高Goto BLAS性能,观察了Goto BLAS库在龙芯3A2000处理器平台的性能表现,分析了测试软件的执行流程、数据的处理方法,根据处理器的结构特点,合理配置矩阵分块参数,优化核心循环的实现方案,同时采用软硬件数据预取技术及优化的内核TLB配置策略。在这些优化方法的共同作用下,仿真平台上核心函数的浮点部件效率超过90%。优化方案在本实验中取得了显著的效果。

龙芯3号板卡HT互联及内存故障诊断方法的设计与实现

龙芯3号处理器广泛应用于安全可靠领域,这类主板器件密度大,板贴程度高,板级故障检测和诊断难度大;需要在确保硬件高可靠的同时加强设备自检测和故障自诊断设计;基于龙芯3号计算机主板端到端总线技术(Hyper Transport,HT)互联和内存出错两类常见的故障,提出了软件辅助故障诊断和可靠性增强的方法,其中针对HT互联故障采用从核监控自动探测法,内存故障基于写-读-比较的方法,对内存遍历模式进行筛选,提高故障诊断效率,为工厂的维修保障工作提供了有效的软件辅助定位故障的方法;经实验测试,该方法可以快速高效地定位龙芯3号主板故障,提高了维修保障效率。

龙芯KVM虚拟机I/O中断子系统的优化

本文针对虚拟机I/O中断子系统的性能问题,以龙芯KVM虚拟机为实验平台,分析了KVM虚拟机中I/O中断子系统的性能瓶颈,并在KVM中实现虚拟I/O中断控制器的基础上,进一步采用只读页表代替陷入、类虚拟化等手段对其进行了优化。测试结果显示虚拟机处理I/O中断的吞吐量提升了300%以上。在部分I/O中断较频繁的网络和磁盘测试中,性能有60.9%~215.1%的提升,文中的优化方法同样适用于其他架构的KVM虚拟机。

龙芯信息化平台的应用迁移工作思考

"构建安全可控的信息技术体系"已经成为我国解决国家信息安全并提升产业竞争力的共识。龙芯CPU经过多年发展,在相关信息化试点应用的带动下,底层软硬件平台逐步完善,在这种情况下,如何针对已有大量成熟的上层应用进行应用迁移将成为打造自主软硬件生态成败的关键。由于大量应用基于主流API(应用编程接口)而不是ISA(CPU指令集)进行开发,因此应用迁移的关键在于对主流API的良好兼容和支持。目前,龙芯CPU平台已经全面兼容主流编程语言和API,并积极投入API平台软件相关的开源社区生态建设。在此过程中,龙芯团队加强应用迁移的技术支持与服务力量,并为应用开发者提供应用迁移指南教程与培训,及时解决应用迁移过程中遇到的各类问题,为构建自主可控的信息技术体系提供有效提速手段。

龙芯指令系统架构及其软件生态建设

构建独立于Wintel体系和AA体系的安全可控的信息技术体系是龙芯的发展目标。介绍龙芯自主指令系统架构LoongArch;并从构建LoongArch的基础软件体系、研发兼容及自主编程框架、通过二进制翻译实现与X86等主流架构的应用兼容、LoongArch开源社区建设等方面介绍龙芯软件生态建设进展及计划。

基于龙芯处理器的可信嵌入式计算机

2001年5月，在中国科学院计算技术研究所知识创新工程的支持下，龙芯课题组正式宣布成立，自此掀开了由中国自己制造微处理器的新篇章。作为国产微处理器的代表，龙芯系列微处理器走过了艰难的发展历程，取得了辉煌的成绩。在过去的10多年里，龙芯处理器在被誉为“龙芯之父”的胡伟武总工程师的带领下，先后完成了龙芯系列多款处理器的设计、流片、量产及推广应用，填补了国产处理器的空白，并在国际处理器市场占有一席之地．发展势头良好。