RISC-V CVA6内核中的硬件虚拟化支持

一篇题为“CVA6 RISC-V虚拟化：架构、微架构和设计空间探索（CVA6 RISC-V Virtualization: Architecture, Microarchitecture, and Design Space Exploration）”的新技术论文由米尼奥大学、博洛尼亚大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员发表。

文章总结：

“虚拟化是一项关键技术，用于从云计算到嵌入式系统的广泛应用。在过去几年中，主流计算机体系结构通过硬件虚拟化支持进行了扩展，从而产生了一组虚拟化技术（例如Intel VT，Arm VE），这些技术现在在现代处理器和SoC的应用中激增。

在本文中，我们将介绍我们在RISC-V CVA6内核中硬件虚拟化支持方面的工作。我们的贡献是多方面的，包括架构、微架构和设计空间探索。特别是，我们重点介绍了一组微架构增强功能（即G-Stage Translation Look-Rear Buffer（GTLB），L2 TLB）的设计，以减轻虚拟化性能开销。我们还执行设计空间探索（DSE）和随附的布局后仿真（基于22nm FDX技术），以评估性能，功耗和面积（PPA）。

此外，我们在FPGA平台（Genesys 2）上绘制设计变体，以评估功能性能领域的权衡。基于DSE，我们为支持硬件虚拟化的CVA6选择最佳设计点。对于这种最佳硬件配置，我们通过在 Bao 虚拟机管理程序之上的 Linux 上运行 MiBench 基准测试来收集功能性能结果，以实现单核配置。我们观察到，与虚拟化感知的非优化设计相比，性能提升高达 16%（平均约 12.5%），面积成本最低，功耗成本最低，仅为 0.78%。

《虚拟化的硬件和软件支持》

本书重点讨论核心问题，即硬件为有效运行虚拟机提供的必要架构支持，以及运行它们的虚拟机管理程序的相应设计。当指令集架构缺乏这种支持时，虚拟化仍然是可能的，但虚拟机管理程序仍然更加复杂，必须依赖于其他技术。

尽管当前架构中关注的是架构支持，但需要一些历史视角来适当地构建问题。本书的前半部分提供了波佩克和戈德堡四十年前开发的理论框架的历史视角。它还描述了尽管硬件缺乏架构支持，但启用了虚拟化的早期系统。

通常情况下，理论定义了一组必要但不充分的特征，现代架构是理论框架与实际系统得出的见解相结合的结果。本书的后半部分介绍了 x86-64 和 ARM 处理器中对虚拟化的最新支持。本书深入介绍了这两种处理器架构的CPU、内存和I/O虚拟化，以及Linux/KVM、VMware和Xen虚拟机管理程序的案例研究。最后，对跨多个虚拟机管理程序的当前一代基于 x86 和 ARM 的系统进行虚拟化的性能比较。

《可重构计算系统工程：计算架构虚拟化》

《可重构计算系统工程：计算架构虚拟化》描述了可重构计算系统（RCS）架构的组织，并讨论了不同 RCS 架构实现的优缺点。本书提供了对RCS技术及其最有效的理解，它：

详细介绍特定于应用程序的工作负载的 RCS 平台的体系结构组织
涵盖 RCS 片上系统（SoC）硬件组件的架构合成过程
从系统和片上级别探索 RCS 架构的虚拟化
根据操作模式提出RCS架构运行时集成的方法，并快速适应多参数约束的变化
包括说明性示例、案例研究、家庭作业问题和重要文献的参考资料

《可重构计算系统工程：计算架构虚拟化》为RCS架构的综合提供了完整的路线图，使硬件设计工程师、系统架构师和专门设计基于FPGA的嵌入式系统的学生接触到RCS架构组织和虚拟化中的新概念。

《计算系统要素：用第一性原理构建现代计算机》

这是一本采用实践方法的教科书，引导学生逐步构建完整的工作计算机系统，包括硬件平台和软件层次结构。

在计算机科学的早期，硬件、软件、编译器和操作系统的交互非常简单，可以让学生全面了解计算机的工作原理。随着计算机技术的日益复杂和随之而来的知识专业化，这种清晰度往往丧失。与其他仅涵盖该领域一个方面的文本不同，《计算系统要素》为学生提供了应用计算机科学的整体和严谨的图片，因为它在构建简单而强大的计算机系统中发挥作用。

事实上，了解计算机如何工作的最好方法是从头开始构建一个，这本教科书引导学生完成十二个章节和项目，逐步从头开始构建基本的硬件平台和现代软件层次结构。在此过程中，学生将获得硬件架构，操作系统，编程语言，编译器，数据结构，算法和软件工程的实践知识。使用这种建设性的方法，本书揭示了大量的计算机科学知识，并展示了其他课程中教授的理论和应用技术如何适应整体情况。

本书旨在支持一个或两个学期的课程，基于抽象实现范式;每一章都介绍了一个关键的硬件或软件抽象，一个具体的建议实现，以及一个实际的项目。新兴的计算机系统可以通过遵循章节来构建，尽管这只是一种选择，因为这些项目是独立的，可以按任何顺序完成或跳过。完成项目所需的所有计算机科学知识都嵌入在书中，唯一的先决条件是编程经验。

本书的网站提供了构建文中描述的所有硬件和软件系统所需的所有工具和材料，包括十二个项目的两百个测试程序。项目和系统可以修改以满足各种教学需求，并且所有提供的软件都是开源的。

《增强型虚拟样机：以 RISC-V 案例研究为特色》

本书介绍了一套全面的技术，可增强基于现代虚拟原型（VP）的设计流程的所有关键方面。作者强调了自动化的形式验证方法，以及为基于SystemC的VP和相关软件（SW）量身定制的高级覆盖引导分析和测试技术。

本书的覆盖范围还包括处理功能和非功能方面的 VP 建模技术，还描述了硬件和 VP 级别之间的对应分析，以利用不同抽象级别可用的信息。所有方法都经过详细讨论和广泛评估，使用多个实验来证明它们在增强基于 VP 的设计流程方面的有效性。

此外，本书还特别关注现代RISC-V ISA，并提供了几个案例研究，涵盖了建模以及VP和软件验证方面。

《数字设计与计算机体系结构，RISC-V版本》

作为Harris和Harris的数字设计和计算机体系结构系列书籍的最新成员，RISC-V版本涵盖了数字逻辑设计的基础知识，并通过RISC-V微处理器的设计强化了逻辑概念。本书将引人入胜且幽默的写作风格与更新的实践数字设计方法相结合，将读者从数字逻辑的基础知识带到处理器的实际设计中。在本书结束时，读者将能够构建自己的RISC-V微处理器，并将对其工作原理有一个自上而下的理解。

本书从数字逻辑门开始，逐步发展到组合电路和时序电路的设计，使用这些基本构建模块作为设计RISC-V处理器的基础。SystemVerilog 和 VHDL 集成在本书中，展示了基于 CAD 的电路设计的方法和技术。配套网站包括一个关于I/O系统的章节，并附有实际示例，展示了如何使用SparkFun的RED-V RedBoard与LCD、蓝牙无线电和电机等外围设备进行通信。

对于学习数字逻辑和计算机体系结构相结合的课程的学生或学习数字逻辑和计算机组织/体系结构的学生来说，本书将是宝贵的参考学习资源。

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