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RÉSUMÉ
Les jeux d’instructions, qui sont l’interface entre le matériel et le logiciel, définissent les opérations que doit effectuer le matériel et sont la cible d’un compilateur. Les jeux d’instructions sont généralement propriétaires. Depuis 2010, un jeu d’instructions libre et gratuit, RISC-V, a été défini. Il est constitué d’un noyau RISC de base et d’un certain nombre d’extensions standardisées, permettant de viser l’ensemble des classes d’applications, de l’Internet des Objets au calcul haute performance en passant par le marché des mobiles, PC et serveurs. Une fondation RISC-V regroupe un grand nombre d’acteurs : fondeurs, développeurs matériels et logiciels.
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Daniel ETIEMBLE : Ingénieur de l’INSA de Lyon - Professeur émérite à l’université Paris Sud
INTRODUCTION
Les jeux d’instructions des processeurs constituent l’interface entre le matériel et le logiciel. L’ensemble de leurs instructions définissent les opérations que doit effectuer le matériel et sont la cible d’un compilateur. Pour des raisons historiques, les jeux d’instructions sont généralement propriétaires. Depuis 2010, un jeu d’instructions open source a été défini à l’université de Berkeley sous le nom de RISC-V. Son objectif est de jouer pour les jeux d’instructions le rôle que jouent Linux pour les systèmes d’exploitation ou OpenOffice pour les suites bureautiques.
Les conditions pour qu’un jeu d’instructions open source rencontre le succès sont définies : grand nombre d’utilisateurs potentiels, environnement logiciel existant, jeux d’instructions performant et utilisable sur une large classe d’applications.
RISC-V a pour noyau un jeu d’instructions 32 bits pour le calcul entier qui est la base pour les microcontrôleurs et les processeurs bas de gamme. S’y ajoutent un certain nombre d’extensions standardisées ou susceptibles d’être standardisées. Pour aboutir à un jeu d’instructions 32 bits ou 64 bits comparable aux jeux d’instructions propriétaires comme Intel ou ARM, des extensions pour entiers 64 bits, multiplications et divisions entières, flottants 32 bits, flottants 64 bits, instructions atomiques pour la cohérence mémoire ont été standardisées. D’autres extensions sont en cours d’élaboration et de normalisation. L’extension 16 bits est destinée à du code compact pour applications embarquées. Les extensions SIMD et vectorielles visent la haute performance, etc.
La fondation RISC-V créée en 2015 regroupe une communauté de plus de 250 acteurs (fondeurs de silicium, fournisseurs de circuits ASIC ou d’IP, développeurs logiciels). Un nombre significatif de circuits ou IP implantant le jeu d’instructions RISC-V est disponible, ainsi que l’environnement logiciel nécessaire : simulateurs, débogueurs, compilateurs et bibliothèques, chargeurs et moniteurs, noyaux de système d’exploitation, distributions Linux, systèmes d’exploitation temps réel, etc.
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Jeux d’instruction
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7. Remarques pour conclure
Alors que la notion open source semblait réservée aux aspects logiciels, avec les distributions Linux ou les suites bureautiques comme OpenOffice, l’irruption de RISC-V a montré que le concept pouvait s’appliquer aux jeux d’instructions, facilitant par là même l’innovation architecturale : plus besoin d’acheter une licence pour un jeu d’instructions propriétaire, ou de développer son propre jeu d’instructions avec tous les coûts associés de développements logiciels.
La montée en puissance de RISC-V résulte d’un certain nombre de choix judicieux :
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définition d’un noyau RISC minimal propre sans les erreurs contenues dans les jeux d’instructions RISC des années 1980 ;
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structure modulaire avec des extensions permettant d’obtenir un jeu d’instructions d’usage général (G) ayant les mêmes possibilités que les jeux d’instructions propriétaires, ou des variantes bas de gamme (complexité et taille de code minimale) et haut de gamme (extensions vectorielles pour les applications HPC) ;
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le processus de standardisation des extensions a permis les développements logiciels (OS, compilateurs, etc.) nécessaires à l’utilisation de RISC-V ;
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le concepteur matériel reste libre de développer ses propres accélérateurs spécifiques. Le coût des développements logiciels pour l’interfaçage avec les logiciels RISC-V est alors à sa charge.
L’état actuel de développements de cœurs RISC-V montre que RISC-V est plus un concurrent d’ARM pour les applications enfouies et embarquées et l’Internet des Objets que d’Intel et d’ARM pour la haute performance. Cela peut s’expliquer de deux manières :
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le marché des super-ordinateurs est réduit et risqué, comparé au marché des systèmes enfouis, embarqués ou mobiles, ou même des PC. Il est donc naturel de trouver beaucoup plus de firmes utilisant ou projetant d’utiliser RISC-V dans les marchés les plus rentables ;
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il est beaucoup plus facile de standardiser les extensions classiques (ensemble G) ou compressées (C) que de spécifier les extensions SIMD ou vectorielles pour la haute performance.
RISC-V a acquis en quelques années une place, et ne laisse pas indifférent. La réaction d’ARM défendant les jeux d’instructions propriétaires, et sa décision de permettre l’ajout d’instructions...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HILL (M.D.), CHRISTIE (D.), PATERSON (D.), YI (J.J.), CHIOU (D.), SENDAG (R.) - Proprietary versus Open Instruction Sets, - IEEE Micro, pp 58-68, July-August 2016. https://research.cs.wisc.edu/multifacet/papers/ieeemicro16_card_isa.pdf
-
(2) - OpenRISC 1000 Architecture Manual - https://opencores.org/websvn/filedetails?repname= openrisc&path=%2Fopenrisc%2Ftrunk%2 Fdocs%2Fopenrisc-arch-1.0-rev0.pdf
-
(3) - ASANOVIC (K.), PATTERSON (D.A.) - Instruction sets should be free: The case for RISC-V, - Technical Report N°UCB/EECS-2014-146, https://people.eecs.berkeley.edu/~krste/papers/EECS-2014-146.pdf
-
(4) - WATERMAN et al - The RISC Instruction Set Manual, Volume 1: User level ISA, version 2.0. - Technical Report N°UCB/EECS-2014-54.
-
(5) - WATERMAN (A.) - Design of the RISC-V Instruction Set Architecture, - Spring (2016), https://people.eecs.berkeley.edu/~krste/papers/EECS-2016-1.pdf
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