硬件芯片篇：RISC-V处理器嵌入式开发者必看（上）

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硬件芯片篇：RISC-V处理器嵌入式开发者必看（上）
软件生态篇：RISC-V处理器嵌入式开发者必看（下）

本篇文章将介绍：①RISC-V 指令集的起源和发展历史，②讨论各种RISC-V CPU核、SoC设计平台和芯片产品的技术特点及选型要点，③重点阐述RISC-V 给嵌入式系统带来了益处，④RISC-V指令扩展的特点与安全应用。 本期第二篇推文还将介绍：⑤支持RISC-V开源和商业软件开发工具和操作系统的现况，最后⑥展望RISC-V 在教育和产业应用的发展趋势。


引言


过去二十年ARM在移动和嵌入式领域成果丰硕，IOT 领域正逐渐确定其市场地位，其他商用架构（如MIPS）逐渐消亡。ARM在进军Intel所在的x86市场，已经对传统PC和服务器领域造成一定压力。RISC-V 开源指令集的出现，引起了产业界的广泛关注，科技巨头很看重指令集架构（CPU ISA）的开放性，各大公司正在积极寻找ARM之外的第二选择，RISC-V成为必然选择。RISC-V 被全球范围内的大学陆续采纳为教材替代以前的MIPS和X86架构，政府和企业采纳RISC-V为标准指令集，开源的CPU核和SoC芯片不断涌现，生态环境逐渐丰富，开发者社区愈来愈活跃。


什么是RISC-V ?


一个CPU支持的指令和指令的字节级编码就是这个CPU的指令集（ISA)，指令集在计算机软件和硬件之间搭起了一个桥梁。不同的CPU家族：X86、PowerPC和ARM，都有不同的ISA，RISC-V 是其中唯一的开源ISA。


RISC-V 是一种开源的指令集架构，它不是一款CPU芯片，甚至不是一个完整的指令集，它是指令集规范和标准。RISC-V 起源于加州大学伯克利分校，在2010年夏季Krste Asanovic教授带领他的两个学生Andrew Waterman , Yunsup Lee启动了3个月项目 ，针对X86和ARM 架构复杂和IP授权的原因，希望开发简化和开放的指令集架构。


RISC-V基金会创建于2015年，是一家非盈利组织。基金会董事会由Bluespec、Google、Microsemi、NVIDIA、NXP、UC Berkeley、Western Digital 7家单位代表组成，主席目前是Krste Asanovi 教授，基金会为核心芯片架构制定标准和建立生态，标准是公开免费下载。基金会旗下有400余家以上的付费成员，包括高通、NXP、阿里巴巴和华为等，RISC-V 基金会成员可以使用RISC-V商标，RISC-V 采用开源BSD 授权 ,任何企业、高校和个人都可以遵循RISC-V架构指南设计自己的CPU。RISC-V基金会总部从美国迁往瑞士，并于2020年3月完成在瑞士的注册，基金会更名为RISC-V国际基金会（RISC-V International Association）2。


十年来RISC-V 蓬勃发展，在CPU IP核，平台、SoC芯片和应用上都有了相当数量的发展，比如，应用上有西部数据设计的SSD和HDD控制器，内核是SweRV Core，中科蓝芯开发的蓝牙耳机芯片，嘉楠科技的K210 AIOT 芯片 ，南京沁恒电子的蓝牙MCU、32位通用MCU和高速接口的MCU，它们的内核都是RISC-V。


开源处理器RISC-V行业展览推荐


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RISC-V指令集介绍


RISC-V的指令集使用模块化的方式进行组织，每个模块使用一个英文字母来表示。RISC-V最基本、也是唯一强制要求实现的指令集是由 I 字母表示的整数指令子集。使用该整数指令子集，便能够实现完整的软件编译器。其他的指令子集部分均为可选的模块，其代表性的模块包括M/A/F/D/C，比如 某款RISC-V 处理器内核是RV32IMAC，即代表实现了I/M/A/C 指令集，。RISC-V 指令集发展变化中，32I和64I 已经冻结，MAFDQC指令扩展是冻结了，指令集如32E,128I,LBJTPV和ZAM原子访问扩展还在开发中，指令集扩展是RISC-V的技术特色，广泛征求会员单位和产业界的意见是RISC-V发展合理的路径 3 。

表1 RISC-V 部分指令集描述

RISC-V 处理器核、SoC 平台 和SoC芯片

3.1 RISC-V 处理器核


在详细阐述RISC-V 处理器嵌入式开发之前，我们首先梳理一下几个概念：RISC-V 处理器核心（Core ，简称核），SoC 平台 和SoC芯片，以及开发者如何选择它们。自RISC V 架构诞生以来出，市场上已有数十个版本的 RISC -V 核和SoC芯片，它们中一部分是开源免费，某些是商业公司开发用于内部项目的 ，还有商业公司开发的 处理器核和平台。西部数据的SweRV架构（RV32IMC）是一个32bit顺序执行指令架构，具有双向超标量设计和9级流水线，采用28nm工艺技术实现，运行频率高达1.8GHz，可提供4.9 CoreMark/MHz的性能，略高于Arm的Cortex A15，已经用在西部数据的SSD和HDD 控制器上使用，SweRV项目是开源的项目。


典型的开源的RISC-V 核有Rocket Core，它是美国加州大学伯克利分校开发一个经典的RV64 设计，伯克利分校还开发一个BOOM Core，它与Rocket Core不同的是面向更高的性能。苏黎世理工大学（ETH Zurich）开发的Zero-riscy，它是经典的RV32 设计，苏黎世理工大学另外一款R15CY Core，可配置成RV32E，面向的是超低功耗、超小芯片面积的应该场景。由Clifford Wolf开发RISC-V Core PicoRV32，重点在于追求面积和CPU频率的优化。


开源的核用于研究和教学很合适，但是用于商业芯片设计还有许多工作要做。SiFive（赛昉科技）由Yunsup Lee创立，他也是RISC-V的创始人之一。2017年公司发布首个RISC-V核和SoC平台家族，以及相关支持软件和开发板，这些芯片包括采用28纳米制造技术的64位多核CPU U500，支持Linux操作系统，以及采用180纳米制造技术的多外设低成本IoT处理器核 E300。开发RISC-V处理器核的厂商还包括Codasip、Syntacore、T-Head（平头哥） Andes （晶芯科技），以及创业公司芯来科技和优矽科技。


3.2 RISC-V SoC平台


知名的RISC-V 处理器SoC 平台有瑞士理工大学的PULPino ，开源项目LowRISC

以及Rocket Chip - 伯克利分校基于Chisel开发的开源SoC生成器。芯来科技胡振波发起的蜂鸟E200开源项目4，配合他的图书，是在国内知名度非常高的开源软核SoC平台之一。在64位SoC 平台方面，平头哥半导体发展很快，先后推出了玄铁C906单核和玄铁C910多核高性能64位 RISC-V 处理器。

图1 蜂鸟E200 RISC-V 处理器

3.3 RISC-V SoC 芯片


RISC-V 处理器SoC芯片近年发展迅速，知名度较大的通用性SoC芯片有兆易创新开发的GD32VF103 MCU 芯片， 该芯片基于芯来Bumblebee 内核（RV32IMAC）。GD32VF103系列提供了108MHz的运算主频，16KB到128KB的片上闪存和6KB到32KB的SRAM，有4个16位通用定时器，2个16位基本定时器和2个多通道DMA控制器。GD32VF103 MCU全新设计的中断控制器（ECLIC）提供了多达68个外部中断并可嵌套16个可编程优先级，以增强高性能控制的实时性。


GD32VF103 MCU开发板有GD32VF103V-EVAL全功能评估板以及GD32VF103-START入门级学习板。还有芯来科技开发RV-START ，以及Sipeed Longan Nano 开发板 5 和IAR 最新的 IAR RISC-V GD32 EVAL 评估套件6，见下图。

图2 IAR RISC-V GD32V 评估套件

嘉楠科技K210 是一个AIOT SoC 芯片，K210 包含 RISC-V 64 位双核 CPU，采用双RV64 GC Core，MAFD ISA 指令标准扩展。K210 包含KPU 通用神经网络处理器，内置卷积可以对人脸或物体进行实时检测，K210 的FFT 加速器是用硬件的方式来实现7 。


NXP RV32M1 集成了4个核: RISC-V RI5CY 核, RISC-V ZERO-RISCY 核, ARM CortexM4 核和 ARM Cortex-M0+ 核。从专业人士视角看，RV32M1 更像是工程实验样品，用来给开发者评估使用，为此NXP 为开发者创建https://open-isa.org/ 社区，维护工具链和软件生态，通过赠送开发板和举办大赛为开发者学习RISC-V 嵌入式开发提供了便利，在早期市场培育期发挥重要的作用 8，见下图。

图3 NXP RISC-V 织女星开发板

Microchip PolarFire SoC芯片是一款低成本, 多核RISC-V SoC FPGA，包含了4个 64-bit RV64GC RISC-V 应用核，可运行Linux, 一个单核 RV64IMAC 做实时和监控任


务， 这是一款适合工业控制和物联网应用的开发平台。


3.4 RISC-V核、平台和芯片究竟该如何选择呢？


近期关注RISC-V处理器研究、开发和教学的人士开始增多，笔者的建议：

（1）.芯片设计者可选择RISC-V 核 和SoC 平台 构建自己的芯片。比如，使用 PULPino 平台开发 SoC 芯片，内核使用 RI5CY和Zero-risky，国内企业和高校研究项目都有在使用。

（2）建议嵌入式和物联网系统开发者使用 RISC-V SoC 芯片。比如，选择GD32VF103 系列 MCU芯片做嵌入式项目开发，GD32VF103有多款开发板和开发工具链支持。AIOT 应用可以选择 K210 ，K210开发软件SDK 非常成熟，支持freertos 和裸机，最近Linux 5.8 正式将K210 RISC-V 纳入主线， K210 已经成功应用在人脸识别和智能抄表等机器视觉和机器听觉领域。

（3）高校和研究机构可以选择开源RISC-V 核 在FPGA 平台上进行计算机体系架构、操作系统 ，编译技术以及嵌入式系统教学和研究工作。比如，Arty FPGA 开发板上实现一个 SiFive 开源Freeedom E310 微控制器的技术已经非常成熟，相应软件工具链支持的很好 9, 见下图。

图4可以配置RISC-V 软核的Arty FPGA 开发板

RISC-V 给嵌入式系统带来的优势


我们上一节讨论了RISC-V 处理器核、平台和芯片 。很明显，嵌入式与物联网以及AIOT 是RISC-V 最活跃的应用市场，RISC-V给嵌入式系统带来许多优势，我仅就以下三点做个阐述：

（1）开源和免费。开源是新的经济方式，是成功的商业之道， 也学生和工程师学习最佳途径。ISA开源意味着开发者可以针对特定应用场景，创造自己的芯片架构，免费则可以降低芯片设计门槛，让草根开发者进入芯片设计领域。

（2）简单和灵活。RISC-V基础的指令集有50条，模块化的4个基本指令集能让设计者。开发出很简化的RISC-V CPU，代码密度低功耗很小的芯片，覆盖从8051-ARM A系列 各种嵌入式处理器。

（3）高效和安全。RISC-V 通过预留编码空间和用户指令支持扩展的指令集，通过指令集扩展实现运算加速和物联网安全。物联网保护的一种通用的途径是分层，分为信任执行环境（TEE）和非信任环境。RISC-V ISA的设计将TEE硬件要求定义为标准规范的一部分，可以在任何RISC-V 芯片上实现，包括配置物理内存保护（PMP）， PMP类似 ARM处理器内存保护单元（MPU）。

HEX-FIVE 公司在RV32 Core 做了IoT 分区保护的应用案例 10，见下图4，软件可参考开源代码https://github.com/hex-five/multizone-secure-iot-stack 。从图中我们可以看到，SOC 芯片是X300 Bitstream ，采用是开源Rocket RV32IMAC 内核。Digilent ARTY A7 FPAG开发板 ，配有以太网。软件上 MultiZone 安全可信执行环境 配置成4区：

（1） Zone 1 区，运行FreeRTOS 有三个任务，分别是CLI任务, PWM LED任务,机器人手臂控制任务。

（2） Zone 2区，移植以太网，运行 PicoTCP 软件协议，TCP信道进行了TLS 加密。

（3） Zone 3区: 运行WolfSSL TLS 1.3 ，存储信任根，加密密钥，密码以及受保护的文件等放在这个区域。

（4） Zone 4区，UART 本地终端应用。

图5 MultiZone Security IoT Stack RISC-V 平台应用案例

开源处理器RISC-V行业展览推荐

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▼2021部分参展商

2021年9月1-3日 深圳国际会展中心·宝安

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完