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RISC-V是如何开创嵌入式设计创新新时代的?

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本文探讨了RISC-V开源硬件模型的优势,讨论了它的使用寿命,可移植性和可靠性。

RISC-V在嵌入式应用背后的势头是不可否认的。今天,RISC-V基金会已经有超过100家公司采用免费的开放式RISC-V指令集架构(ISA),随着更多工具,软件,硬件和操作系统供应商的加入,其成员数量迅速增长。随着其生态系统的不断扩大,RISC-V为软硬件设计人员提供了一种替代现有嵌入式处理器的令人信服的替代方案,随着采用率的增长,嵌入式设计中的处理器创新开创了一个新时代。

 

特德马雷娜为RISC-V基金会提出了自己的建议

图1. RISC-V基金会的市场营销主席Ted Marena介绍了RISC-V的优势。

 

RISC-V解锁新时代背后的原因归结为三个关键因素:寿命长,可移植性和可靠性。所有三个原因都与RISC-V特别引人注目的关系密切相关。与已经建立的处理器架构不同,后者经常为每一代添加指令,设计人员可以依靠RISC-V的固定ISA,确保其软件投资的长久性。对于功能安全性,认证和产品生命周期长的嵌入式应用而言,这种长寿命特别有用。 

 

ISA

为了广泛使用RISC-V,并允许市场规定处理器架构,在2014年第25届热芯片研讨会上推出该技术之前,位于RISC-V后面的加州伯克利工程团队冻结了ISA。随着非盈利的RISC-V基金会,其成员的任务是指导HW / SW规范和生态系统的未来发展,并推动ISA的采用。随着基础ISA的推出和可选扩展的推出,设计人员可以实现针对其特定工作负载量身定制的处理器,而不必采用标准的现成处理器设计,即使有任何定制空间也没有。

许多RTOS和完整的操作系统现在都支持RISC-V。由于Linux操作系统的使用越来越多,RISC-V对嵌入式应用程序尤其具有吸引力。这使设计人员能够快速采用ISA作为直接本机硬件实现的新开放标准架构。但是,即使Linux没有被使用,ISA所应用的冷冻架构,长效性,可移植性和可靠性也是需要考虑的关键因素。

 

RISC-V扩展

冷冻的ISA意味着软件可以开发一次,并且可以在任何支持扩展(如果有的话)的RISC-V设备上无限期地运行。扩展是唯一可以添加新指令的方法。目前有五个分机,它们也被冻结。这些扩展包括:

  • M用于整数乘法和除法。

  • A原子指令

  • F表示单精度浮点数

  • D用于双精度浮点

  • C表示压缩指令

 

RISC-V处理器的优势

这种可预测性和简单性的水平对处理器设计和软件开发有很多好处。我们一个接一个看。

 

长寿

RISC-V ISA提供稳定,干净的平台设计平台,在用户和特权模式之间清晰安全地分离,因为ISA是固定的,包含少于50条指令。如果所有多个标准扩展都实现了,那么总数仍然不到200个。不是引入新版本的ISA,而是通过扩展来添加标准指令集,这有助于在将来的设计中增加稳定性。更少的指令意味着可以创建更简单的架构,从而实现处理器实现的成本效益和功效。对软件开发人员或者说半导体人而言,这可以转化为保留的投资。一次写入软件并在任何RISC-V内核上运行。对于需要数十年支持的产品寿命长的产品来说,这通常是至关重要的, 

 

可移植性

RISC-V使设计更容易升级到高容量。例如,设计可以在运行软RISC-V内核的FPGA中开始发货(图1)。由于该软件可以在任何具有RISC-V内核的设备上完全移植,因此设计人员可以在硬件中实现基本上“免版税”的处理器子系统RTL代码。设计人员可以将其设计修改,调整和迁移到其产品的最佳平台。如果选择的FPGA需要用下一代器件代替,则不需要重写软件代码。现有的源RTL只需要重定向到其他FPGA。此外,如果音量达到足够高的水平,相同的RTL源可以重定向到ASIC而无需支付任何版权费。

 

RISC V IP核可扩展性图表

图2. RISC-V IP核心图。

 

可靠性和安全性

RISC-V的灵活性能够提供独特的解决方案,特别是对于需要功能安全的嵌入式设计。例如,在具有多个功能相同的内核的系统中,这些内核是自主设计的,以实现最终的冗余。其中一个核心可能是Microsemi Mi-V RV32IM,另一个核心可能是功能相同但完全不同的内部设计。RISC-V还允许在微架构上具有完全的灵活性; 所以一个内核可以为数据和指令高速缓冲存储器提供单一事件翻转(SEU)保护措施。由于RISC-V允许访问RTL,因此可以使用许多其他安全防护技术。 

尽管英特尔x86和ARM处理器架构的成熟变体不可能很快消失,但由于设计师必须自定义自由度,因此RISC-V处理器生态系统准备在嵌入式市场中快速增长。处理器架构的设计具有内在的灵活性,因此实现可以在硬件中加速某些操作,或者例如专门针对低功耗进行优化。设计人员还可以灵活地连接他们想要的任何总线接口,而不是仅仅与已建立的处理器供应商提供的总线连接。由于ISA的固定特性,RISC-V微体系结构的任何变化都是可以接受的。 

 

RISC-V资源

要了解有关RISC-V的更多信息,请参阅下一个设计,有几个地方可以开始。

有关RISC-V及其成员的背景信息,请访问RISC-V基金会网站。如果您想立即开始并开始针对RISC-V内核的C编码,请转至Microsemi的Github站点并查看IGLOO2 Creative Development Board RISC-V项目。Microsemi是第一家提供开放式架构RISC-V IP内核和全面的软件IDE解决方案的FPGA供应商。设计人员可以在多个基于闪存的FPGA中部署RISC-V IP内核,包括PolarFire FPGA,IGLOO2和RTG4器件。Mi-V Creative板(图2)包含一个预编程了RISC-V内核的IGLOO2 FPGA,可以开箱即用“hello world”。 

对于软件代码开发,在Linux或Windows平台上托管的基于Eclipse的软控制台集成开发环境(IDE)提供完整的开发支持,包括C或C ++编译器和调试器功能。Microsemi RISC-V IP内核,Libero SoC开发软件和Soft Console IDE都可以从Microsemi Github网站免费下载。

 

采用预编程RISC-V内核的M2GL025创新电路板

图3.  采用预编程RISC-V内核的M2GL025创意主板

 

凭借其冷静的ISA,简单性,便携性和可靠性,RISC-V为设计人员提供了全新的处理器范例,从而超越既定处理器现状的限制并推动创新的界限。