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从“谈芯”走向“用芯” RISC-V 未来前景光明?

2019-06-08 17:15 何小庆

作者 | 何小庆

2019年2月,笔者参观了德国纽伦堡嵌入式世界展。西部数据公司在展会上介绍了其产品已经使用了RISC-V 架构处理器,每年出货超过10亿颗RISC-V芯片,未来还将翻倍。RISC-V基金会被邀请在纽伦堡大会上举办一个全天的课程和RISC-V专区展示,包括Andes Technology、CloudBEAR、GreenWaves Technologies、Imperas Software、SiFive、Syntacore和UltraSoC等成员公司和大学的演讲。展览期间笔者看到许多著名的嵌入式软件和工具公司,都开始支持RISC-V。比如,德国SEGGER、劳特巴赫、瑞典IAR、Amazon FreeRTOS、嵌入式芯片公司NXP和Microchip,都展示出他们的RISC-V MCU产品。


RISC-V是开源指令集架构


RISC-V是一种开源的指令集架构,它不是一款CPU产品。一个CPU支持的指令和指令的字节级编码,就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU软件和CPU硬件设计者之间,提供了一个抽象层(接口)。

不同的CPU家族,例如Intel X86、IBM/Freescale PowerPC和ARM,都有不同的ISA。RISC-V是其中唯一的开源ISA,它起源于加州伯克利大学,采用开源BSD license,任何企业、大学和个人都可以遵循RISC-V架构设计CPU,现在全球已有几十个开源版本RISC-V CPU核。

商业公司定制适合自己使用的RISC-V内核,比如西部数据的SweRV(RISCV 32IMC Core),还有一些商业IP公司开发RISC-V CPU IP,比如名气最多的SiFive 已经有E和S核2、3、5、7四大系列,覆盖32位—64位嵌入式和高端应用处理器领域。

如何管理RISC-V开源项目?RISC-V基金会成立于2015年,由超过235名成员组成,其中有20家中国机构。它是开放、协作的软件和硬件创新者社区,基金会指导未来发展并推动RISC-V ISA广泛应用。

中国有RISC-V产业和中国开放指令生态(RISC-V)两个联盟,推动RISC-V在中国的发展。


RISC-V具有三大优势


RISC-V最大的优势就是开源和免费。免费意味着RISC-V可以帮助开发者低成本完成CPU设计,如果最终量产,那么就免去面对版税纠纷。ISA开源意味着开发者可以针对特定应用场景,比如近期火热的AIoT市场,创造自己的AIoT芯片架构。当然,基金会鼓励使用RISC-V指令集标准模块或者组合。比如,苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich)开源的Zero-riscy 内核,采用是RV32IMC,RV32I指令加上M扩展和C扩展,M指的整数乘法和除法,C指的是压缩。NXP织女星开发板(VGEA)MCU采用的就是Zero—riscy开源内核。

RISC-V第二个优势就是简单。基础指令集只有40多条,短小精悍的架构和模块化指令集让使用RISC-V技术的芯片设计者,可以开发出很简单的RISC-V CPU。该CPU功耗可以很小,代码密度也比较低。为了满足嵌入式和物联网对代码体积的高要求,RISC-V定义了一种可选的压缩(Compressed)指令子集,由字母C表示,也可以由RVC表示。测试表明,RV32C的代码体积相比RV32的代码体积减少了40%,与ARM、MIPS和x86等架构相比,都有不错的表现,甚至与ARM Thumb-2基本一样。

RISC-V第三个优势是灵活性。RISC-V架构通过预留大量的编码空间和4条用户指令,可以帮助用户扩展指令集。这个特性在现在的AIoT和信息安全市场,获得了特别的关注。

RISC-V商业IP公司,比如,Andes(晶心科技),还提供了定制化指令工具Andes Custom Extension,让用户在做应用加速的时候,可以达到更快、更有效率的方式。

多核异构是RISC-V架构芯片设计的一个特点,比如,法国GreenWave开发的Gap8 CPU,内置8个RISC-V内核和AI加速器,功耗优化的很低,面向AI边缘技术节点设备。


生态建设是关键


决定一款CPU是否能够广泛普及的因素中,架构和指令集并不是最重要的事情。历史上X86横扫桌面电脑、POWERPC独占通讯设备、ARM称雄移动终端,以及8051/PIC/MSP430/ATMEL百花齐放单片机世界,重要的是CPU所拥有的生态环境。比如,一款通用的嵌入式CPU,需要让开发者很方便地接触到中文资料文档、简单易用的开源商业开发工具、固件库、软件库、嵌入式OS和Linux以及丰富设计方案。

生态建设最漫长的环节是大学计划。大学计划做的好,学生从毕业开始,就已经掌握CPU的架构和使用方法。比如,高校的微机原理课程长期以X86和ARM为基础,嵌入式课程多是ARM架构,单片机课程除了ARM还有一些8051。

今天开源的RISC-V架构在高校很受欢迎。在嵌入式系统联谊会组织的“RISC-V架构嵌入式开发研究与实践技术沙龙”上,清华大学陈渝副教授指出,RISC-V来源于学校,已经经过长期探索。而且,它是开源的,学生可以接触到关于它的所有信息,不像x86和Arm,很难深入了解更多细节。所以,RISC-V更容易开发应用软件和操作系统。很多教师选择RUST语言指导学生在RISC-V架构上写一个小操作系统,高校关注RISC-V的老师们越多,或者开设的基于RISC-V课越多,将来毕业学生上手就越快。RISC-V中文图书并不多,芯来科技创始人胡振波的两本书是学习RISC-V的宝典。最近开始的由NXP发起的Open-ISA开源社区RISC-V MCU创新大赛也是RISC-V生态建设的很好的尝试,希望能在更多的电子、嵌入式和物联网大赛中看到RISC-V芯片的身影。


标准化还是多样化?


现有的CPU架构多是通用性的。在IoT场景中,许多智能分析工作正在向边缘转移。根据特定的需求,使用RISC-V架构定制化IoT芯片更灵活,而且有针对性。现在RISC-V架构的设计,除了基础的指令集保证系统软件、开发环境的兼容性之外,它本身允许按照新的不同开发应用进行扩展,这样可以保证IoT应用中的专用性需求。

NXP中国MCU高级经理梁平最近撰文指出:“对于这种非标准的部分,将较难受益于丰富的生态机制,其生产厂家自行提供相应的支持和配套的解决方案,例如需要修改编译器以支持新的指令、需要增改配置调试工具以适应新的总线或存储接口等。”

笔者观察到,著名的嵌入式编译器公司最近发布的IAR Embedded Workbench for RISC-V也只能支持RV32IM/IMC/IMF/IMFC/IMFD/IMFDC基础指令和标准扩展指令集。各种定制化的芯片只能支持该芯片企业自己维护的工具链,每家芯片公司维护自身RISC-V架构的编译器、SDK、工具链,基于GCC、LLVM等实现开源化,是一个耗时耗力巨大的工程。期待未来RISC-V与Linux基金会的合作,带来RISC-V软件的突破。然而,要使RISC-V真正在商业基础上起飞,还需要商业级工具和软件。

物联网和嵌入式将是RISC-V 最先落地和最大的应用市场。因为生态的关系,相当一段时间内,RISC-V将与ARM同行发展,即一个设计中,既能使用ARM也能使用RISC-V,或者同一颗芯片里,可以同时有两种内核。RISC-V发展中要防范碎片化,联盟应加强引导,先是做标准化,共同做大RISC-V蛋糕,然后才是差异化。未来RISC-V生态环境要从围绕芯片设计转向开发者教育和实践阶段。据悉今年夏末,国内某著名MCU企业将推出RISC-V通用MCU,届时RISC-V“谈芯”将转向“用芯”,智联网时代的嵌入式开发者将更方便的评估和使用RISC-V这一新技术。

作者介绍:何小庆,系中国软件行业协会嵌入式系统分会副理事长。

【End】

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