RISC-V開源、免版稅、可擴展ISA獲得產業發展動力

　　作者：貿澤電子Mark Patrick

　　摘要：全新的指令集體系架構（ISA）在半導體處理器行業并不經常出現。業界最后一次重大變化是Arm開發了內核，并將其作為IP許可證出售，從而迅速改變了那個時代領先供應商設計處理器的方式。目前，在貿易戰和新冠大流行時期，市場提供的開放源代碼、免版稅、可擴展ISA被證明是一種變革和顛覆性力量。

　　簡介：指令集體系架構在過去40年中變化不大，但是開源，免版稅，可擴展的RISC-V正在撼動整個行業。

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　　40年以來幾乎未變的處理器ISA

　　幾十年來，英特爾和Arm一直主導著處理器架構。英特爾及其x86架構一直在統治著計算機工作站、臺式機和服務器市場。同時，Arm在物聯網設備、消費電子產品和工業自動化系統等領域拓展了更廣闊的市場空間。市場中也有其他嵌入式處理器和微控制器架構，例如Atmel的AVR和Microchip的PIC / MIPS，它們都有自己的利基市場，但并未達到主導地位。在嵌入式系統環境中，大多數MCU和MPU供應商已廣泛采用Arm的IP授權模式。但是，顛覆性，變革性變化正在迅速獲得強大發展勢頭，并開始挑戰處理器市場現有體系。隨著客戶越來越多地接受開源技術帶來的商業和技術利益，領先供應商正在迅速轉向開源RISC-V指令集體系架構。在本文中，我們將介紹RISC-V的誕生，并重點討論使其具有更大吸引力的一些因素。我們也將提供一些產品示例，重點關注評估板、開發資源以及不斷發展的軟件工具鏈生態系統。

　　ISA：處理器硬件和軟件之間的真正連結

　　指令集體系架構能夠提供軟件世界和處理器硬件之間的界面，它定義了一個程序如何與可用硬件之間交互的各個層面，包括算術邏輯單元（ALU）、寄存器、存儲器和控制邏輯。它還能夠確定字長、支持的數據類型以及寄存器和存儲器的尋址方式。簡而言之，ISA是處理器的抽象。

　　ISA有許多不同類型，但是出于大多數實用目的，兩個最重要類型是復雜指令集計算機（CISC）和精簡指令集計算機（RISC）。顧名思義，CISC包含許多針對各種應用的復雜且專門的指令，其中一些功能可能很少出現。 CISC處理器可以具有許多不同的尋址方式，并使用可變長度指令。基于CISC的處理器設計成本高昂，需要更復雜的軟件和編程工具，并且設計時間也更長。 CISC ISA的一個示例是Intel x86。

　　相比之下，基于RISC的處理器要簡單得多，并且具有一組有限的常用指令，幾種不同的尋址方式以及一個固定的指令大小。使用指令流水線技術能夠支持更快的執行吞吐量。與CISC處理器將操作數（數據值）移出內存來執行計算不同，RISC處理器使用內部寄存器。基于RISC的ISA應用示例包括Arm、AVR、PIC和MIPS。

　　圖1：Microchip AVR微控制器RISC架構示例。

　　ISA – 成功的關鍵要素是什么？

　　在本文余下部分，我們將只討論基于RISC的處理器。在提到處理器時，本文上下文中是指任何處理設備，例如微控制器和微處理器。市場中流行的RISC ISA具有8位、16位和32位字長，還有64位和128位ISA通常用于要求更高的專業應用。字長對硬件設計、處理器可運行的速度以及可用的內存大小有重要影響。從最基本層面考慮，ISA至少需要包括算術邏輯單元、存儲器和控制邏輯。算術邏輯單元執行基本的算術計算功能，例如使用寄存器或自身內部的“立即”方式進行加法、比較和減法等運算。內存尋址可以是絕對或索引方式。控制邏輯則執行有條件和無條件分支以及其他尋址任務。

　　ISA指令集由操作碼（機器碼）組成，這些操作碼通常在一個操作數上指定要執行的任務。例如，在Atmel / Microchip AVR ISA中，模數轉換器（ADC）定義將兩個寄存器中保存的操作數與進位標志加在一起，并將結果存入目標寄存器中。 ISA文檔將確定每條指令執行多少個時鐘周期或程序計數器迭代。在RISC處理器中，大多數指令將是單周期。

　　對于微控制器（MCU）和微處理器（MPU）供應商，開發ISA是設計其產品的核心組成部分。通過這種方式，ISA已成為用于一系列特定設備的專有技術，例如Atmel / Microchip的AVR（8、16、32位）、Microchip的PIC（8、16、32位）和MIPS（32和64位）。

　　Arm在1990年代初從Acorn剝離出來時就打破了傳統MCU/MPU商業模式。Arm方式采用了IP許可路線，從特許權使用費中創造了收入來源，而不是依靠制造和銷售器件。 Arm商業模式得以迅速取得成功，使半導體供應商擺脫了開發和移植ISA的任務。如今，大多數半導體供應商都提供基于Arm ISA的處理器，有些還提供基于其自身ISA的設備。出售的每個設備都要向Arm支付版稅。Arm實際上在控制著ISA的生命周期和持續發展。

　　盡管各個ISA都有其優缺點，但是任何特定處理器體系架構的成功不僅取決于其技術優勢，還取決于市場中其軟件開發工具生態系統的完善。工具鏈、集成開發環境、編譯器、調試器和專用中間件（application-specific middleware）在促進處理器及其ISA的普及程度方面起著至關重要作用。

　　開源指令集架構

　　由于Arm可提供標準ISA，對于半導體供應商而言，他們可以在標準ISA基礎上來適應和增強設備的外圍接口選項，以滿足特定應用需求。與使用Arm IP的其他競爭半導體廠商相比，這種方法還可以在一定程度上促進產品的差異化。對于AVR、PIC等已有ISA，Arm的廣泛采用已降低了它們在市場中的總體份額。

　　但是，對于處理器客戶來說，由于存在多個處理器供應商，因此在架構上做出決定來采用Arm ISA時非常明智，由此可以方便地選擇購買選項和再次采購相似部件。采用特定工具鏈進行標準化開發也具有很大的商業意義。

　　在一個包含許多開放源代碼概念的行業中，處理器指令集體系架構領域看起來專有性很強，直到RISC-V ISA于2010年問世，一直是這種情況。RISC-V ISA最初是在加利福尼亞大學伯克利分校開發，是出于學術目的而開發的ISA，其發展理念使ISA開源迅速立足生根。之所以將其開源是因為ISA設計在過去40年中變化不大。使其開源將鼓勵更多的相互交流和軟件重用，并由此希望得到工具鏈供應商的長期支持。作為一種開源ISA，廠商無需支付任何特許權使用費，并且可以做出新的指令集和擴展指令。

　　基本RISC-V ISA及其相關擴展指令是由于學術研究團體和行業之間的共同努力而開發和管理。RISC-V ISA支持32位，64位和128位字長。

　　2015年，在半導體公司合作建立RISC-V基金會（RISC-V Foundation）后，RISC-V的發展邁出了重要一步。不支付特許權使用費和可擴展性的優勢吸引了廣大廠商注意。Arm授權許可用戶雖不能調整指令集以適合如低功耗等特定應用要求，但RISC-V被授權方則完全可以。RISC-V基金會現有750多個行業成員。

　　隨著許多主要的處理器供應商開始對RISC-V表現出興趣，軟件工具社區也不甘心落后，開始在集成開發環境和工具鏈中擴展對RISC-V的支持。

　　用RISC-V啟動設計

　　SiFive 的Freedom E31 SoC是最早可用的基于RISC-V的32位處理器之一。SiFive由RISC-V ISA創始人創立，之后迅速尋求將其專業技術推向市場。為了鼓勵原型開發，SiFive眾籌了一個低成本Arduino尺寸開發板HiFive1。SiFive的 HiFive1 B包含有Wi-Fi連接和32Mb閃存。

　　圖2：SiFive 的HiFive1 B開發板。。

　　SEEED也可以提供一個Feather/MKR格式開發板Sipeed Longan Nano，它配備有0.96英寸LCD，采用GigaDevice 32位RISC-V內核。

　　SparkFun同樣提供類似于HiFive1 B的開發板。SparkFun的RED-V RedBoard還使用Arduino UNO-R3尺寸規格和SiFive E310 RISC-V SoC。

　　針對專業工程師的更全面RISC-V平臺是Microchip的PolarFire SoC FPGA Icicle開發板。

　　PolarFire SoC旨在為具有Linux功能的五核RISC-V RV64內核提供評估平臺，還配備有256k邏輯單元和784單元的數學模塊。 Icicle套件包括HDMI、PCIe、USB、CAN、SPI和I2C等在內的全面外圍接口連接，是從物聯網傳感器到機器學習等應用所需實時、低功耗設計原型的理想選擇，其外部擴展接口選項包括一個mikroBUS插槽和一個Raspberry Pi 40引腳連接器。