Performance testing of RISC-V cores using cycle-accurate software simulations

Abstract

With the rising costs of developing integrated-circuit designs, especially in the field of microprocessors, making use of efficient and accurate methods of testing microprocessor designs is of paramount importance. Enabling accurate testing of microprocessor designs early in the development cycle, allows for faster validation of the design for its intended use-case.

This thesis aims to demonstrate the tangible benefits of VHDL software simulations in testing microprocessor designs. This thesis takes the approach of testing the effects of customizing microprocessor designs to fulfill performance improvements on a particular workload. To achieve the objectives of the thesis, the NEORV32 RISC-V processor project was chosen as the microprocessor design that would be customized and tested. Several different customized versions of the NEORV32 processor were configured and these were then tested on a benchmark developed around the xoroshiro64** PRNG.

The goal of the thesis was achieved, with the thesis methodology and results showing that the testing of customized microprocessor designs through VHDL software simulations, gives developers an efficient and accurate method for testing performance optimizations.

Integroitujen piirien suunnittelun kehittämiskustannusten kasvaessa, tehokkaiden ja tarkkojen menetelmien hyödyntäminen prosessorien testaamisessa on ensiarvoisen tärkeää. Mikroprosessorisuunnitelmien tarkka testausprosessi kehityssyklin varhaisessa vaiheessa mahdollistaa suunnittelun nopeamman validoinnin sen aiottuun käyttötarkoitukseen.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena on osoittaa VHDL-ohjelmistosimulaatioiden konkreettiset hyödyt mikroprosessorisuunnittelun testauksessa. Opinnäytetyössä testataan suorituskyvyn optimointia erityisillä työkuormilla ja seurataan mikroprosessorisuunnittelun mukauttamisen vaikutuksia prosessoriin. Tavoitteiden saavuttamiseksi mikroprosessoriksi valittiin NEORV32 RISC-V prosessoriprojekti, jota kustomoidaan ja testataan. NEORV32-prosessorista määritettiin useita erilaisia räätälöityjä versioita, ja niitä testattiin xoroshiro64** PRNG:n ympärille kehitetyllä suorituskykytestillä.

Opinnäytetyön tavoite saavutettiin, ja opinnäytetyön metodologia ja tulokset osoittivat, että räätälöityjen mikroprosessorisuunnitelmien testaus VHDL-ohjelmistosimulaatioiden avulla antaa kehittäjille tehokkaan ja tarkan menetelmän suorituskyvyn optimoinnin testaamiseen.