硬件芯片篇：RISC-V处理器嵌入式开发者必看（上）

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-VCPU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（CPUISA）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KrsteAsanovic教授带领他的两个学生AndrewWaterman,YunsupLee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、UCBerkeley、WesternDigital7家单位代表组成，主席目前是KrsteAsanovi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-VInternationalAssociation）2。

十年来RISC-V蓬勃发展，在CPUIP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SweRVCore，中科蓝芯开发的蓝牙耳机芯片，嘉楠科技的K210AIOT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。

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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1RISC-V部分指令集描述

RISC-V处理器核、SoC平台和SoC芯片

3.1RISC-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RISCV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4.9CoreMark/MHz的性能，略高于Arm的CortexA15，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RocketCore，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BOOMCore，它与RocketCore不同的是面向更高的性能。苏黎世理工大学（ETHZurich）开发的Zero-riscy，它是经典的RV32设计，苏黎世理工大学另外一款R15CYCore，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CliffordWolf开发RISC-VCorePicoRV32，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YunsupLee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CPUU500，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/span>

3.2RISC-VSoC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RocketChip-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E200RISC-V处理器

3.3RISC-VSoC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GD32VF103MCU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。GD32VF103MCU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。

GD32VF103MCU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SipeedLonganNano开发板5和IAR最新的IARRISC-VGD32EVAL评估套件6，见下图。

图2IARRISC-VGD32V评估套件

嘉楠科技K210是一个AIOTSoC芯片，K210包含RISC-V64位双核CPU，采用双RV64GCCore，MAFDISA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。

NXPRV32M1集成了4个核:RISC-VRI5CY核,RISC-VZERO-RISCY核,ARMCortexM4核和ARMCortex-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3NXPRISC-V织女星开发板

MicrochipPolarFireSoC芯片是一款低成本,多核RISC-VSoCFPGA，包含了4个64-bitRV64GCRISC-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。

3.4RISC-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-VSoC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Linux5.8正式将K210RISC-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，ArtyFPGA开发板上实现一个SiFive开源FreeedomE310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ArtyFPGA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-VCPU，代码密度低功耗很小的芯片，覆盖从8051-ARMA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-VISA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RV32Core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X300Bitstream，采用是开源RocketRV32IMAC内核。DigilentARTYA7FPAG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）Zone1区，运行FreeRTOS有三个任务，分别是CLI任务,PWMLED任务,机器人手臂控制任务。

（2）Zone2区，移植以太网，运行PicoTCP软件协议，TCP信道进行了TLS加密。

（3）Zone3区:运行WolfSSLTLS1.3，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）Zone4区，UART本地终端应用。

图5MultiZoneSecurityIoTStackRISC-V平台应用案例

更多技术干货

更多内容关于：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。请见姊妹篇推文！

#作者简介#

何小庆是知名的嵌入式系统专家，中国软件行业协会理事、嵌入式系统联谊会秘书长，长期从事嵌入式与物联网技术、市场和教育工作。有《嵌入式操作系统风云录》，《嵌入式实时操作系统μC/OS-III应用开发》和《嵌入式软件精解》多本中英文著译作,2021年将出版《深入RISC-V软件开发》和《嵌入式实时操作系统》。

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▼2021部分参展商

来源|本文刊登在《单片机与嵌入式系统应用》2020年11期，授权博闻创意会展（深圳）有限公司转载，谢谢。

2021年9月1-3日深圳国际会展中心·宝安

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