本文探討了RISC-V的開(kāi)源硬件模型背后的好處，討論了它的壽命、可移植性和可靠性。

RISC-V用于嵌入式應(yīng)用程序的勢(shì)頭是不可否認(rèn)的。如今，RISC-V基金會(huì)擁有超過(guò)100家公司支持免費(fèi)和開(kāi)放的RISC-V指令集架構(gòu)（ISA），隨著越來(lái)越多的工具、軟件、硬件和操作系統(tǒng)供應(yīng)商加入，其成員數(shù)量也在迅速增長(zhǎng)。憑借其不斷擴(kuò)大的生態(tài)系統(tǒng)，RISC-V為軟件和硬件設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)令人信服的替代現(xiàn)有嵌入式處理器的替代方案，隨著采用率的增長(zhǎng)，在嵌入式設(shè)計(jì)中開(kāi)啟了處理器創(chuàng)新的新時(shí)代。

RISC-V開(kāi)啟新時(shí)代的原因歸結(jié)為三個(gè)關(guān)鍵因素：壽命、便攜性和可靠性。這三個(gè)原因都與RISC-V特別引人注目的原因有關(guān)。與通常在每一代都添加指令的已經(jīng)建立的處理器架構(gòu)不同，設(shè)計(jì)人員可以依靠帶有RISC-V的固定ISA，確保他們的軟件投資的壽命。這種壽命對(duì)于功能安全、認(rèn)證和長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期很重要的嵌入式應(yīng)用程序特別有利。

凍結(jié)的ISA

為了實(shí)現(xiàn)RISC-V的廣泛使用并讓市場(chǎng)決定處理器架構(gòu)，RISC-V背后的加州大學(xué)伯克利分校工程團(tuán)隊(duì)在2014年第25屆熱芯片研討會(huì)上介紹該技術(shù)前不久凍結(jié)了ISA。隨著2015年，非營(yíng)利性RISC-V基金會(huì)成員的任務(wù)是指導(dǎo)HW/SW規(guī)范和生態(tài)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展，以及推動(dòng)ISA的采用。隨著基本ISA的確定和可選擴(kuò)展的可用，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)施針對(duì)其特定工作負(fù)載量身定制的處理器，而不必圍繞標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的處理器設(shè)計(jì)進(jìn)行工作，這種設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有任何定制空間。

許多RTOS和完整的操作系統(tǒng)現(xiàn)在都支持RISC-V。由于Linux操作系統(tǒng)的使用越來(lái)越多，RISC-V對(duì)嵌入式應(yīng)用程序特別有吸引力。這使設(shè)計(jì)人員能夠迅速采用ISA作為直接本地硬件實(shí)現(xiàn)的新開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。然而，即使不使用Linux，ISA所提供的凍結(jié)架構(gòu)、壽命、可移植性和可靠性也是需要考慮的關(guān)鍵因素。

RISC-V擴(kuò)展

凍結(jié)的ISA意味著軟件可以開(kāi)發(fā)一次并在任何支持正在使用的擴(kuò)展（如果有）的RISC-V設(shè)備上無(wú)限期運(yùn)行。擴(kuò)展是添加新指令的唯一方法。目前，有五個(gè)擴(kuò)展名，也已被凍結(jié)。這些擴(kuò)展包括：

M表示整數(shù)乘除。

A原子指令

F表示單精度浮點(diǎn)

D表示雙精度浮點(diǎn)

C用于壓縮指令

RISC-V處理器優(yōu)勢(shì)

這種可預(yù)測(cè)性和簡(jiǎn)單性對(duì)處理器設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)有很多好處。讓我們一一來(lái)看看。

長(zhǎng)壽

RISC-VISA提供了一個(gè)穩(wěn)定、干凈的設(shè)計(jì)平臺(tái)，在用戶和特權(quán)模式之間有清晰和安全的分離，因?yàn)镮SA是固定的并且包含少于50條指令。如果全部實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，總數(shù)仍不足200個(gè)。不是引入新版本的ISA，而是通過(guò)擴(kuò)展對(duì)標(biāo)準(zhǔn)指令集進(jìn)行添加，便于未來(lái)設(shè)計(jì)增加穩(wěn)定性。更少的指令意味著可以創(chuàng)建更簡(jiǎn)單的架構(gòu)，從而提高處理器實(shí)施的成本效益和功率效率。對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這意味著保留投資。一次編寫(xiě)軟件并在任何RISC-V內(nèi)核上永久運(yùn)行。這對(duì)于必須支持?jǐn)?shù)十年的產(chǎn)品壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品通常至關(guān)重要，

可移植性

RISC-V使設(shè)計(jì)更容易擴(kuò)大到大批量。例如，設(shè)計(jì)可以在運(yùn)行軟RISC-V內(nèi)核的FPGA中開(kāi)始發(fā)貨（圖1）。由于該軟件將在任何具有RISC-V內(nèi)核的設(shè)備上完全可移植，因此設(shè)計(jì)人員擁有本質(zhì)上是“免版稅”的處理器子系統(tǒng)RTL代碼，可以在硬件中實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員可以修改、調(diào)整和遷移他們的設(shè)計(jì)到最適合他們產(chǎn)品的平臺(tái)。如果選定的FPGA需要更換為下一代器件，則無(wú)需重新編寫(xiě)軟件代碼?，F(xiàn)有的源RTL只需重新定位到另一個(gè)FPGA。此外，如果數(shù)量達(dá)到足夠高的水平，則可以將相同的RTL源重新定位到ASIC，而無(wú)需支付任何特許權(quán)使用費(fèi)。

圖2.RISC-VIP內(nèi)核圖表。

可靠性和安全性

RISC-V的靈活性實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的解決方案，特別是對(duì)于需要功能安全的嵌入式設(shè)計(jì)。例如，在具有多個(gè)功能等效內(nèi)核的系統(tǒng)中，這些內(nèi)核自主設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)終極冗余。一個(gè)這樣的內(nèi)核可能是MicrosemiMi-VRV32IM，另一個(gè)內(nèi)核可能是功能相同但完全不同的內(nèi)部設(shè)計(jì)。RISC-V還允許在微架構(gòu)上完全靈活；因此一個(gè)內(nèi)核可以為數(shù)據(jù)和指令高速緩存提供單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）保護(hù)措施?？梢允褂迷S多其他安全預(yù)防技術(shù)，因?yàn)镽ISC-V允許訪問(wèn)RTL。

雖然Intelx86和ARM處理器架構(gòu)的成熟變體不太可能很快消失，但鑒于設(shè)計(jì)人員必須自由定制，RISC-V處理器生態(tài)系統(tǒng)已準(zhǔn)備好在嵌入式市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。處理器架構(gòu)的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是靈活的，因此實(shí)現(xiàn)可以在硬件中加速某些操作，或者，例如，專門(mén)針對(duì)低功耗進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員還可以靈活地連接他們想要的任何總線接口，而不是僅僅依賴于成熟的處理器供應(yīng)商提供的總線。由于ISA的固定性質(zhì)，RISC-V微體系結(jié)構(gòu)的任何變化都是可以接受的。

RISC-V資源

要為您的下一個(gè)設(shè)計(jì)了解更多關(guān)于RISC-V的信息，可以從幾個(gè)地方開(kāi)始。

有關(guān)RISC-V及其成員的背景信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)RISC-V基金會(huì)網(wǎng)站。如果您想直接投入并開(kāi)始為RISC-V內(nèi)核編寫(xiě)C代碼，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Microsemi的Github站點(diǎn)并查看IGLOO2創(chuàng)意開(kāi)發(fā)板RISC-V項(xiàng)目。Microsemi是第一家提供開(kāi)放架構(gòu)RISC-VIP內(nèi)核和綜合軟件IDE解決方案的FPGA供應(yīng)商。設(shè)計(jì)人員可以在多個(gè)基于閃存的FPGA中部署RISC-VIP內(nèi)核，包括PolarFireFPGA、IGLOO2和RTG4設(shè)備。Mi-VCreative板（圖2）包含一個(gè)IGLOO2FPGA，預(yù)編程了一個(gè)RISC-V內(nèi)核，可以開(kāi)箱即用地運(yùn)行“helloworld”。

對(duì)于軟件代碼開(kāi)發(fā)，托管在Linux或Windows平臺(tái)上的基于Eclipse的軟控制臺(tái)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）提供了完整的開(kāi)發(fā)支持，包括C或C++編譯器和調(diào)試器功能。MicrosemiRISC-VIP內(nèi)核、LiberoSoC開(kāi)發(fā)軟件和軟控制臺(tái)IDE都可以從MicrosemiGithub站點(diǎn)免費(fèi)下載。

憑借其凍結(jié)的ISA、簡(jiǎn)單性、可移植性和可靠性，RISC-V為設(shè)計(jì)人員提供了一種全新的處理器范例，以超越既定處理器現(xiàn)狀的限制并突破創(chuàng)新的界限。