RISC-V指令集的起源與發(fā)展歷史

本篇文章將介紹：①RISC-V 指令集的起源和發(fā)展歷史，②討論各種RISC-V CPU核、SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)和芯片產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)及選型要點(diǎn)，③重點(diǎn)闡述RISC-V 給嵌入式系統(tǒng)帶來了益處，④RISC-V指令擴(kuò)展的特點(diǎn)與安全應(yīng)用。 本期第二篇推文還將介紹：⑤支持RISC-V開源和商業(yè)軟件開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的現(xiàn)況，最后⑥展望RISC-V 在教育和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

引言

過去二十年ARM在移動(dòng)和嵌入式領(lǐng)域成果豐碩，IOT 領(lǐng)域正逐漸確定其市場(chǎng)地位，其他商用架構(gòu)（如MIPS）逐漸消亡。ARM在進(jìn)軍Intel所在的x86市場(chǎng)，已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)PC和服務(wù)器領(lǐng)域造成一定壓力。RISC-V 開源指令集的出現(xiàn)，引起了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，科技巨頭很看重指令集架構(gòu)（CPU ISA）的開放性，各大公司正在積極尋找ARM之外的第二選擇，RISC-V成為必然選擇。RISC-V 被全球范圍內(nèi)的大學(xué)陸續(xù)采納為教材替代以前的MIPS和X86架構(gòu)，政府和企業(yè)采納RISC-V為標(biāo)準(zhǔn)指令集，開源的CPU核和SoC芯片不斷涌現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境逐漸豐富，開發(fā)者社區(qū)愈來愈活躍。

什么是RISC-V ？

一個(gè)CPU支持的指令和指令的字節(jié)級(jí)編碼就是這個(gè)CPU的指令集（ISA），指令集在計(jì)算機(jī)軟件和硬件之間搭起了一個(gè)橋梁。不同的CPU家族：X86、PowerPC和ARM，都有不同的ISA，RISC-V 是其中唯一的開源ISA。

RISC-V 是一種開源的指令集架構(gòu)，它不是一款CPU芯片，甚至不是一個(gè)完整的指令集，它是指令集規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校，在2010年夏季Krste Asanovic教授帶領(lǐng)他的兩個(gè)學(xué)生Andrew Waterman ， Yunsup Lee啟動(dòng)了3個(gè)月項(xiàng)目 ，針對(duì)X86和ARM 架構(gòu)復(fù)雜和IP授權(quán)的原因，希望開發(fā)簡(jiǎn)化和開放的指令集架構(gòu)。

RISC-V基金會(huì)創(chuàng)建于2015年，是一家非盈利組織。基金會(huì)董事會(huì)由Bluespec、Google、Microsemi、NVIDIA、NXP、UC Berkeley、Western Digital 7家單位代表組成，主席目前是Krste Asanovi 教授，基金會(huì)為核心芯片架構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)和建立生態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)是公開免費(fèi)下載。基金會(huì)旗下有400余家以上的付費(fèi)成員，包括高通、NXP、阿里巴巴和華為等，RISC-V 基金會(huì)成員可以使用RISC-V商標(biāo)，RISC-V 采用開源BSD 授權(quán) ，任何企業(yè)、高校和個(gè)人都可以遵循RISC-V架構(gòu)指南設(shè)計(jì)自己的CPU。RISC-V基金會(huì)總部從美國遷往瑞士，并于2020年3月完成在瑞士的注冊(cè)，基金會(huì)更名為RISC-V國際基金會(huì)（RISC-V International Association）2。

十年來RISC-V 蓬勃發(fā)展，在CPU IP核，平臺(tái)、SoC芯片和應(yīng)用上都有了相當(dāng)數(shù)量的發(fā)展，比如，應(yīng)用上有西部數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的SSD和HDD控制器，內(nèi)核是SweRV Core，中科藍(lán)芯開發(fā)的藍(lán)牙耳機(jī)芯片，嘉楠科技的K210 AIOT 芯片 ，南京沁恒電子的藍(lán)牙MCU、32位通用MCU和高速接口的MCU，它們的內(nèi)核都是RISC-V。

開源處理器RISC-V行業(yè)展覽推薦

2021年9月1-3日，ELEXCON深圳國際電子展暨嵌入式系統(tǒng)展將專門打造『 RISC-V技術(shù)專區(qū) 』，匯聚行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，全面展示RISC-V軟硬件開發(fā)、RISC-V開發(fā)工具、RISC-V處理器應(yīng)用、開源技術(shù)等新技術(shù)、新產(chǎn)品和新方案，迎接芯片行業(yè)發(fā)展的歷史性機(jī)遇！

▼2021部分參展商

RISC-V指令集介紹

RISC-V的指令集使用模塊化的方式進(jìn)行組織，每個(gè)模塊使用一個(gè)英文字母來表示。RISC-V最基本、也是唯一強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)的指令集是由 I 字母表示的整數(shù)指令子集。使用該整數(shù)指令子集，便能夠?qū)崿F(xiàn)完整的軟件編譯器。其他的指令子集部分均為可選的模塊，其代表性的模塊包括M/A/F/D/C，比如 某款RISC-V 處理器內(nèi)核是RV32IMAC，即代表實(shí)現(xiàn)了I/M/A/C 指令集，。RISC-V 指令集發(fā)展變化中，32I和64I 已經(jīng)凍結(jié)，MAFDQC指令擴(kuò)展是凍結(jié)了，指令集如32E，128I，LBJTPV和ZAM原子訪問擴(kuò)展還在開發(fā)中，指令集擴(kuò)展是RISC-V的技術(shù)特色，廣泛征求會(huì)員單位和產(chǎn)業(yè)界的意見是RISC-V發(fā)展合理的路徑 3 。

表1 RISC-V 部分指令集描述

RISC-V 處理器核、SoC 平臺(tái) 和SoC芯片

3.1 RISC-V 處理器核

在詳細(xì)闡述RISC-V 處理器嵌入式開發(fā)之前，我們首先梳理一下幾個(gè)概念：RISC-V 處理器核心（Core ，簡(jiǎn)稱核），SoC 平臺(tái) 和SoC芯片，以及開發(fā)者如何選擇它們。自RISC V 架構(gòu)誕生以來出，市場(chǎng)上已有數(shù)十個(gè)版本的 RISC -V 核和SoC芯片，它們中一部分是開源免費(fèi)，某些是商業(yè)公司開發(fā)用于內(nèi)部項(xiàng)目的 ，還有商業(yè)公司開發(fā)的 處理器核和平臺(tái)。西部數(shù)據(jù)的SweRV架構(gòu)（RV32IMC）是一個(gè)32bit順序執(zhí)行指令架構(gòu)，具有雙向超標(biāo)量設(shè)計(jì)和9級(jí)流水線，采用28nm工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行頻率高達(dá)1.8GHz，可提供4.9 CoreMark/MHz的性能，略高于Arm的Cortex A15，已經(jīng)用在西部數(shù)據(jù)的SSD和HDD 控制器上使用，SweRV項(xiàng)目是開源的項(xiàng)目。

典型的開源的RISC-V 核有Rocket Core，它是美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)一個(gè)經(jīng)典的RV64 設(shè)計(jì)，伯克利分校還開發(fā)一個(gè)BOOM Core，它與Rocket Core不同的是面向更高的性能。蘇黎世理工大學(xué)（ETH Zurich）開發(fā)的Zero-riscy，它是經(jīng)典的RV32 設(shè)計(jì)，蘇黎世理工大學(xué)另外一款R15CY Core，可配置成RV32E，面向的是超低功耗、超小芯片面積的應(yīng)該場(chǎng)景。由Clifford Wolf開發(fā)RISC-V Core PicoRV32，重點(diǎn)在于追求面積和CPU頻率的優(yōu)化。

開源的核用于研究和教學(xué)很合適，但是用于商業(yè)芯片設(shè)計(jì)還有許多工作要做。SiFive（賽昉科技）由Yunsup Lee創(chuàng)立，他也是RISC-V的創(chuàng)始人之一。2017年公司發(fā)布首個(gè)RISC-V核和SoC平臺(tái)家族，以及相關(guān)支持軟件和開發(fā)板，這些芯片包括采用28納米制造技術(shù)的64位多核CPU U500，支持Linux操作系統(tǒng)，以及采用180納米制造技術(shù)的多外設(shè)低成本IoT處理器核 E300。開發(fā)RISC-V處理器核的廠商還包括Codasip、Syntacore、T-Head（平頭哥） Andes （晶芯科技），以及創(chuàng)業(yè)公司芯來科技和優(yōu)矽科技。

3.2 RISC-V SoC平臺(tái)

知名的RISC-V 處理器SoC 平臺(tái)有瑞士理工大學(xué)的PULPino ，開源項(xiàng)目LowRISC

以及Rocket Chip - 伯克利分?；贑hisel開發(fā)的開源SoC生成器。芯來科技胡振波發(fā)起的蜂鳥E200開源項(xiàng)目4，配合他的圖書，是在國內(nèi)知名度非常高的開源軟核SoC平臺(tái)之一。在64位SoC 平臺(tái)方面，平頭哥半導(dǎo)體發(fā)展很快，先后推出了玄鐵C906單核和玄鐵C910多核高性能64位 RISC-V 處理器。

圖1 蜂鳥E200 RISC-V 處理器

3.3 RISC-V SoC 芯片

RISC-V 處理器SoC芯片近年發(fā)展迅速，知名度較大的通用性SoC芯片有兆易創(chuàng)新開發(fā)的GD32VF103 MCU 芯片， 該芯片基于芯來Bumblebee 內(nèi)核（RV32IMAC）。GD32VF103系列提供了108MHz的運(yùn)算主頻，16KB到128KB的片上閃存和6KB到32KB的SRAM，有4個(gè)16位通用定時(shí)器，2個(gè)16位基本定時(shí)器和2個(gè)多通道DMA控制器。GD32VF103 MCU全新設(shè)計(jì)的中斷控制器（ECLIC）提供了多達(dá)68個(gè)外部中斷并可嵌套16個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)，以增強(qiáng)高性能控制的實(shí)時(shí)性。

GD32VF103 MCU開發(fā)板有GD32VF103V-EVAL全功能評(píng)估板以及GD32VF103-START入門級(jí)學(xué)習(xí)板。還有芯來科技開發(fā)RV-START ，以及Sipeed Longan Nano 開發(fā)板 5 和IAR 最新的 IAR RISC-V GD32 EVAL 評(píng)估套件6，見下圖。

圖2 IAR RISC-V GD32V 評(píng)估套件

嘉楠科技K210 是一個(gè)AIOT SoC 芯片，K210 包含 RISC-V 64 位雙核 CPU，采用雙RV64 GC Core，MAFD ISA 指令標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。K210 包含KPU 通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，內(nèi)置卷積可以對(duì)人臉或物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，K210 的FFT 加速器是用硬件的方式來實(shí)現(xiàn)7 。

NXP RV32M1 集成了4個(gè)核： RISC-V RI5CY 核， RISC-V ZERO-RISCY 核， ARM CortexM4 核和 ARM Cortex-M0+ 核。從專業(yè)人士視角看，RV32M1 更像是工程實(shí)驗(yàn)樣品，用來給開發(fā)者評(píng)估使用，為此NXP 為開發(fā)者創(chuàng)建https://open-isa.org/ 社區(qū)，維護(hù)工具鏈和軟件生態(tài)，通過贈(zèng)送開發(fā)板和舉辦大賽為開發(fā)者學(xué)習(xí)RISC-V 嵌入式開發(fā)提供了便利，在早期市場(chǎng)培育期發(fā)揮重要的作用 8，見下圖。

圖3 NXP RISC-V 織女星開發(fā)板

Microchip PolarFire SoC芯片是一款低成本， 多核RISC-V SoC FPGA，包含了4個(gè) 64-bit RV64GC RISC-V 應(yīng)用核，可運(yùn)行Linux， 一個(gè)單核 RV64IMAC 做實(shí)時(shí)和監(jiān)控任

務(wù)， 這是一款適合工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)。

3.4 RISC-V核、平臺(tái)和芯片究竟該如何選擇呢？

近期關(guān)注RISC-V處理器研究、開發(fā)和教學(xué)的人士開始增多，建議：

（1）。芯片設(shè)計(jì)者可選擇RISC-V 核 和SoC 平臺(tái) 構(gòu)建自己的芯片。比如，使用 PULPino 平臺(tái)開發(fā) SoC 芯片，內(nèi)核使用 RI5CY和Zero-risky，國內(nèi)企業(yè)和高校研究項(xiàng)目都有在使用。

（2）建議嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)者使用 RISC-V SoC 芯片。比如，選擇GD32VF103 系列 MCU芯片做嵌入式項(xiàng)目開發(fā)，GD32VF103有多款開發(fā)板和開發(fā)工具鏈支持。AIOT 應(yīng)用可以選擇 K210 ，K210開發(fā)軟件SDK 非常成熟，支持freertos 和裸機(jī)，最近Linux 5.8 正式將K210 RISC-V 納入主線， K210 已經(jīng)成功應(yīng)用在人臉識(shí)別和智能抄表等機(jī)器視覺和機(jī)器聽覺領(lǐng)域。

（3）高校和研究機(jī)構(gòu)可以選擇開源RISC-V 核 在FPGA 平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)、操作系統(tǒng) ，編譯技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)教學(xué)和研究工作。比如，Arty FPGA 開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)一個(gè) SiFive 開源Freeedom E310 微控制器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，相應(yīng)軟件工具鏈支持的很好 9， 見下圖。

圖4可以配置RISC-V 軟核的Arty FPGA 開發(fā)板

RISC-V 給嵌入式系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢(shì)

我們上一節(jié)討論了RISC-V 處理器核、平臺(tái)和芯片 。很明顯，嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)以及AIOT 是RISC-V 最活躍的應(yīng)用市場(chǎng)，RISC-V給嵌入式系統(tǒng)帶來許多優(yōu)勢(shì)，我僅就以下三點(diǎn)做個(gè)闡述：

（1）開源和免費(fèi)。開源是新的經(jīng)濟(jì)方式，是成功的商業(yè)之道， 也學(xué)生和工程師學(xué)習(xí)最佳途徑。ISA開源意味著開發(fā)者可以針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景，創(chuàng)造自己的芯片架構(gòu)，免費(fèi)則可以降低芯片設(shè)計(jì)門檻，讓草根開發(fā)者進(jìn)入芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

（2）簡(jiǎn)單和靈活。RISC-V基礎(chǔ)的指令集有50條，模塊化的4個(gè)基本指令集能讓設(shè)計(jì)者。開發(fā)出很簡(jiǎn)化的RISC-V CPU，代碼密度低功耗很小的芯片，覆蓋從8051-ARM A系列 各種嵌入式處理器。

（3）高效和安全。RISC-V 通過預(yù)留編碼空間和用戶指令支持?jǐn)U展的指令集，通過指令集擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)運(yùn)算加速和物聯(lián)網(wǎng)安全。物聯(lián)網(wǎng)保護(hù)的一種通用的途徑是分層，分為信任執(zhí)行環(huán)境（TEE）和非信任環(huán)境。RISC-V ISA的設(shè)計(jì)將TEE硬件要求定義為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一部分，可以在任何RISC-V 芯片上實(shí)現(xiàn)，包括配置物理內(nèi)存保護(hù)（PMP）， PMP類似 ARM處理器內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）。

HEX-FIVE 公司在RV32 Core 做了IoT 分區(qū)保護(hù)的應(yīng)用案例 10，見下圖4，軟件可參考開源代碼https://github.com/hex-five/multizone-secure-iot-stack 。從圖中我們可以看到，SOC 芯片是X300 Bitstream ，采用是開源Rocket RV32IMAC 內(nèi)核。Digilent ARTY A7 FPAG開發(fā)板 ，配有以太網(wǎng)。軟件上 MultiZone 安全可信執(zhí)行環(huán)境 配置成4區(qū)：

（1） Zone 1 區(qū)，運(yùn)行FreeRTOS 有三個(gè)任務(wù)，分別是CLI任務(wù)， PWM LED任務(wù)，機(jī)器人手臂控制任務(wù)。

（2） Zone 2區(qū)，移植以太網(wǎng)，運(yùn)行 PicoTCP 軟件協(xié)議，TCP信道進(jìn)行了TLS 加密。

（3） Zone 3區(qū)： 運(yùn)行WolfSSL TLS 1.3 ，存儲(chǔ)信任根，加密密鑰，密碼以及受保護(hù)的文件等放在這個(gè)區(qū)域。

（4） Zone 4區(qū)，UART 本地終端應(yīng)用。

圖5 MultiZone Security IoT Stack RISC-V 平臺(tái)應(yīng)用案例

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