RISC-V处理器嵌入式开发综述

王强

合肥工业大学 邮编： 230009

摘要:本文主要侧重于RISC-V指令集发展历史的概述,针对于不同类型的RISC-V CPU核或者芯片产品所具有的优势进行简要分析,深入探究RISC-V给嵌入式系统带来的改变以及优势,RISC-V指令扩展的安全性能,对于RISC-V在今后的发展方向做出展望。

关键词:RISC-V;嵌入式;开源指令集;

引言:显而易见是的ARM在过去的二十年中在移动以及嵌入式领域所获取的成就令人满意,在LOT领域也依然可以在竞争激烈的市场当中占据一席之地,这对其他商用的架构造成一定影响,MIPS正在逐步退出市场。除此之外,ARM向INTEL所在的X86发起进攻,使得创痛的PC以及服务器领域所承担的压力倍增。RISC-V一出现,引起产业内部的高度关注,许多走在柯基犬端的公司都极其看重RISC-V所具有的开放性,RISC-V有望成为ARM的替代品。在全球范围当中,许多大学依然逐渐开始采用RISC-V为教材,将原有的MIPS以及X86的框架替换下去,政府以及企业也开始采用RISC-V作为标准指令集,开源的CPU核和SOC芯片的出现使得生态环境越现丰富,开发者社区的活动更上一层。在以及复杂的国际政治经济的前提条件下,中国的科技制高点乃是芯片,RISC-V较之CPU具有着自主可控以及普世通用共存的绝对性优势。

一、RISC-V的发展历史概述

一个基于CPU完全支持的系统指令和管理指令的开源字节化基于CPU的指令集,指令集使得整个计算机系统软件和移动硬件紧密联系起来。不同类型的CPU家族其所具备的ISA都各不相同,而值得注意到是RISC-V就是其中唯一的开源。RISC-V架构是一种完全开源的系统指令集管理架构,其与CPU芯品的概念完全不同,在一定程度上RISC-V无法将其称为完整的指令集,它也只是一种指令集管理规范和技术标准。RISC-V最早可追溯到加州大学伯克利分校,在2010年教授带领两位学生启动为期3个月的开发项目,该项目主要针对现在x86和现在arm中的架构以及ipa授权的重负繁琐并且复杂的问题进行深入研究,希望能够使得指令集架构更加简洁并且具有充足的开发性。在2015年创建了RISC-V非营利性基金会，该基金会对于核心芯片的框架设立标准，并且将该标准公开化。该基金会旗下有众多国内的企业，凡是属于基金会的成员皆可以使用RISC-V的商标。目前，该基金会的总部位于日本，并且更名为RISC-V国际基金会。

十年来现在我国RISC-V技术产业正在蓬勃发展,在CPU IP内核、平台、SOC通用芯片和其他各个应用核心内核技术方面都已经实现有了相当迅速的技术产业融合发展。

二、RISC-V处理器基本核、SOC平台以及芯片

2.1RISC-V处理器核

RISC-V处理器软件核心也就是核,相关的软件开发者们在面对诸多选择时,应如何人选择并且正确使用。在有关RISC-V项目来到这个世上之前,在竞争激烈的市场当中,存在在为数不少的RISC-V核以及SOC芯片,其各个版本不尽相同,但大多都具有免费使用的特性,部分公司用在自身承包的内部项目的开发使用,也存在着部分的企业开发的处理器核以及平台等。

考虑到基于西部数据的多个SWERV的设计架构实际上仍然是一个32bit的顺序排列执行指令设计架构,其所具备双向执行超标准矢量指令的设计特点，也具备着9级执行流水线设计,需值得注意的是在使用过程当中需要使用28nm的工艺技术那么就可实现编程﹐并且其顺序运行指令频率高达1.8GHZ,与此同时其也具备着高达4.9COREMARK/MHz的最高性能水平。

2.2关于嵌入式和智能物联网开发者选择使用RISC-VSOC芯片

举例来说,选择软件应用名为GD32VF103系列的MCU的软件芯片产品可以用于做新的嵌入式软件开发系统项目,GD32VF103有多款基于软件开发板和多个软件开发流程工具链上的产品可供支持。AIOT软件为用户通常可以自行操作选择K210,K210开发软件应用名为SDK非常成熟,支持开发FREERTOS以及裸机,最近LINUX5.8正式将名为K210 RISC-V的芯片产品纳入软件开发流程主线,K210已经成功广泛应用在手机移动操控人脸识别、手机移动操控智能仪表数字化、智能视觉和移动听觉识别技术应用领域。

具有需求的各个高校以及相关的企业可以通过自由性的对开源平台RISC-V核在选择FPGA核时快速高效地运用计算机应用体系软件架构、操作系统、编译语言乃至嵌入式操作系统的课程教学和技术研究开发工作。

三、RISC -V给嵌入式系统所具有的独特优势

3.1开源和免费学习完全免费

专业芯片研发开源不仅仅是新的时代芯片产业经济社会发展重要方式,是成功的专业芯片开发商业的重要渠道,也是高校毕业的大学生和优秀芯片开发工程师共同参与学习的最佳芯片就业发展途径。芯片开源学习免费也就是说相关的芯片开发工程师具有非常宽裕的自我开发空间。针对于特定的应用场景可以自由地创作带有个人特色的芯片构架,免费与此同时也意味着开源可以完全大大降低芯片应用架构开发设计师的就业门槛,让未来更多普通草根专业芯片应用开发者完全可以自由进入基于专业芯片应用架构设计的新技术领域。

3.2更加简单,更具有灵活性

经过统计，在RISC-V由50条基本逻辑控制指令集以及4个模块化的基本组件，这些设施的主要功能用于方便芯片设计者的工作者，使得大量的从业者能够在使用过程当中避免掉过多的繁琐程序，为芯片设计者对开发以及设计具有简化特质的RISC-VCPU提供便利 ，代码过程采集的高密度和操作系统运行功耗都很低的基本逻辑控制芯片,可轻松开发覆盖从8051~ARMA系列各种类型的微嵌入式处理器。

3.3效率以及安全性能

RISC-V通过进行系统配置预留编码管理内存空间和系统配置多个用户编码管理系统指令集,通过配置用户管理指令集中的支持进行扩展网络可以有效实现目前网络数据运算中主流的数据加速和安全保护提高物联网安全。用于物联网安全性能保护的一种较为通用的硬件扩展实现途径之一也就是安全性能分层,分为高级分层信任安全分层执行服务管理系统环境和非安全分层高级信任安全执行管理环境。RISC-VISA的高级硬件性能设计将其在用于TEE设计中的高级硬件安全性能设计进行定义,对其进行优化更新,使得其可以在任何一个RISC-V进行使用,包括同时需要配置多个高级物理控制单元进行内存保护。

结束语:综上所述,RISC-V产业界快速发展需要具有远大的技术事业理想抱负和持久的耐心,发展不仅仅只是为了长期追求数目过大的芯品,对于芯品所具有的性质、功能以及质量都有追求,如此方可使得RISC-V具有更加广阔的前景,同时使得更多的开发者对RISC-V进行深度探索。显而易见的是,RISC-V所具有的特性使得其非常适合在高校的电子信息工程相关教学研究合作项目以及相关的教育课程当中发挥作用,通过构建出一个全新的开源硬件的方式从事高效率的合作创新环境的形成。

参考文献:

[1]本刊编辑部.开放合作：国产嵌入式操作系统强大之道!——“第三届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛”圆满结束[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(10):1-3.

[2]景德胜,陈川,刘婷婷.基于FT-M6678处理器的嵌入式计算机电源设计及实现[J].航空计算技术,2021,51(05):122-125.

[3]唐俊龙,禹智文,刘远治,肖仕勋,邹望辉.面向RISC-V处理器的GCC移植与优化[J].计算机应用与软件,2021,38(09):262-267+285.