RISC-V是中國(guó)處理器產(chǎn)業(yè)的一次難得機(jī)遇

當(dāng)前，雖然全球微處理器指令集架構(gòu)被 Arm 和 Intel x86 壟斷，但是 2010 年在伯克利大學(xué)誕生的 RISC-V 指令集，有望打破這一格局，給中國(guó)處理器 IP 帶來(lái)“自主可控”的發(fā)展契機(jī)，尤其對(duì)于消費(fèi)類、IoT 等嵌入式應(yīng)用，RISC-V 更像是一道“曙光”！現(xiàn)在，許多高校已經(jīng)開(kāi)始將 RISC-V 用于教學(xué)，科技巨頭紛紛宣布支持 RISC-V，并且涌現(xiàn)出了一批初創(chuàng)的科技公司。目前，雖然 RISC-V 架構(gòu)技術(shù)還在發(fā)展階段，各家芯片平臺(tái)也在開(kāi)發(fā)和完善之中，但是 RISC-V 應(yīng)用終將落地。中國(guó)集成電路老前輩許居衍院士指出：RISC-V 當(dāng)前最適合用于 IoT 之類的“看不見(jiàn)的計(jì)算”中，現(xiàn)在看來(lái) RISC-V 要形成生態(tài)，希望很可能在中國(guó)。

 

在這樣的契機(jī)下，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)舉辦的首次技術(shù)沙龍聚焦于 RISC-V 嵌入式開(kāi)發(fā)這一主題。正如嵌入式聯(lián)誼會(huì)秘書長(zhǎng)何小慶所言：希望更多產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界的年輕朋友同大家分享自己對(duì) RISC-V 的觀點(diǎn)和研究成果，更好地促進(jìn) RISC-V 在嵌入式產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

 

RISC-V 與 RUST 相遇，引發(fā)操作系統(tǒng)教學(xué)新嘗試

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系 陳渝副教授

作為研究操作系統(tǒng)的老師，陳老師認(rèn)為，RISC-V 精簡(jiǎn)指令集聽(tīng)起來(lái)屬于硬件范疇，但是其實(shí) RISC-V 與軟件有很大的相關(guān)性，因?yàn)樽鳛橹匾到y(tǒng)軟件的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)硬件進(jìn)行管理和控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上層應(yīng)用的支持。

 

陳老師介紹，不同學(xué)校計(jì)算機(jī)系對(duì)操作系統(tǒng)課程教學(xué)的要求存在差異，有的只要求會(huì)用，有的卻需要懂得操作系統(tǒng)。清華大學(xué)的操作系統(tǒng)課程目標(biāo)是希望學(xué)生能夠用一種高級(jí)語(yǔ)言在某一種 CPU 上實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。陳老師在多年的操作系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，一直在做不同的嘗試，比如在 x86、MIPS、Arm 上實(shí)現(xiàn)，直到 2017 年，發(fā)現(xiàn) RISC-V 是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。RISC-V 本身來(lái)源于學(xué)校，已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，而且它是開(kāi)源的，學(xué)生可以接觸到關(guān)于它的所有信息（不像 x86 和 Arm，很難深入了解更多細(xì)節(jié)），所以更容易在其上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。

 

關(guān)于為什么選擇 RUST 作為 RISC-V 的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，陳老師這樣解釋：雖然現(xiàn)在大多數(shù)的操作系統(tǒng)選用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，但是還是存在潛在的安全問(wèn)題，所以目前國(guó)外很多學(xué)校也都在探索使用 C 語(yǔ)言之外的語(yǔ)言做開(kāi)發(fā)，比如 MIT 嘗試使用 Go 語(yǔ)言。鑒于 RUST 不僅有嚴(yán)格的安全約束，可以把編譯時(shí)約束轉(zhuǎn)移到運(yùn)行時(shí)，而且允許程序員顯式地指出不安全（unsafe 塊），并使用安全封裝和管理不安全，所以才選擇了 RUST。     

 

經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，陳老師表示在 RISC-V 上開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)還是非常有優(yōu)勢(shì)的，比如有的同學(xué)在 32 位環(huán)境下開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，只需要微小的改動(dòng)（一兩天的工作量）就可以移植到 64 位上，說(shuō)明 RISC-V 在硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)做了軟件的一致性考慮。

 

RISC-V 定制處理器助力四足機(jī)器人設(shè)計(jì)

北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生  蔡琳琳

雖然 RISC 離大規(guī)模商用還有一定的距離，但是在高校已經(jīng)有了很多研究和應(yīng)用。蔡琳琳解釋了她所做的四足機(jī)器人課題選用 RISC-V 架構(gòu)的原因：原來(lái)對(duì)于四足機(jī)器人的控制會(huì)選用單片機(jī)，因?yàn)槠渫鈬O(shè)備資源不足，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能時(shí)就會(huì)有很多困難，而采用 RISC-V 后可以對(duì)處理器進(jìn)行定制，所實(shí)現(xiàn)的功能會(huì)更加完善。

 

在北工大韓德強(qiáng)老師指導(dǎo)下，蔡琳琳設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人原來(lái)是采用 Arm 架構(gòu)處理器控制的，現(xiàn)在采用基于 RISC-V 架構(gòu)的定制處理器實(shí)現(xiàn)。雖然在功能實(shí)現(xiàn)方面區(qū)別不大，但是采用 Arm 架構(gòu)處理器時(shí)，其 PWM 引腳是由軟件模擬實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)在則是由硬件實(shí)現(xiàn)，效率和精度都得到了很大提升。

 

RISC-V 是中國(guó)處理器產(chǎn)業(yè)的最后一次機(jī)會(huì)

芯來(lái)科技創(chuàng)始人，著名 RISC-V 技術(shù)推廣者 胡振波

作為著名的 RISC-V 技術(shù)推廣者和國(guó)內(nèi)第一顆 RISC-V 開(kāi)源處理器蜂鳥(niǎo) E203 的作者，芯來(lái)科技創(chuàng)始人胡振波對(duì) RISC-V 有著深刻和獨(dú)到的理解。他認(rèn)為，在后摩爾時(shí)代，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B/">摩爾定律和登納德縮放定律的相繼失效，通用處理器逐漸無(wú)法滿足對(duì)整體系統(tǒng)能效比的追求，因此基于領(lǐng)域的架構(gòu)設(shè)計(jì)(Design Specific Architecture)設(shè)計(jì)理念逐漸成為共識(shí)和趨勢(shì)。系統(tǒng)公司、互聯(lián)網(wǎng)巨頭開(kāi)始全面造芯，更多軟硬件結(jié)合的差異化創(chuàng)新正在誕生，芯片也在呈現(xiàn)出類似互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)化的趨勢(shì)。傳統(tǒng)處理器指令集架構(gòu)(ISA, Instruction Set Architecture)承載著軟硬件接口作用，但是各個(gè)公司又是封閉性的， 在開(kāi)發(fā)中多種編程模型共存，需要嵌入式開(kāi)發(fā)人員掌握多種硬件架構(gòu)、多種編程模型， 降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率，并且由于指令集不能擴(kuò)展，也難以把硬件擴(kuò)展和處理器微架構(gòu)緊密結(jié)合在一起，因此無(wú)法進(jìn)一步提升性能。更為關(guān)鍵的是，找到和培養(yǎng)具備對(duì)不同硬件架構(gòu)編程能力的程序員成本很高，給公司發(fā)展帶來(lái)很多困難。

 

而 RISC-V 具有 4 個(gè)特點(diǎn)，分別是簡(jiǎn)單和一致性、學(xué)校和產(chǎn)業(yè)能夠無(wú)縫對(duì)接、開(kāi)放的可擴(kuò)展性以及編程效率高，正好可以解決嵌入式開(kāi)發(fā)中的很多痛點(diǎn)。RISC-V 的開(kāi)放性決定了它不再只是針對(duì)某種應(yīng)用，而是能夠滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求，因此會(huì)得到更多大型公司和社區(qū)的支持，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展得更為迅速；RISC-V 的平民化讓更多工程師可以接觸到，并迅速應(yīng)用于億萬(wàn)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。

 

x86 和 Arm 時(shí)代，中國(guó)只是處理器的應(yīng)用市場(chǎng)，雖然一直想要彎道超車，但終未實(shí)現(xiàn)。胡振波認(rèn)為，RISC-V 是中國(guó)處理器產(chǎn)業(yè)的一次機(jī)會(huì)，而且很可能是最后一次機(jī)會(huì)。芯來(lái)科技主要專注于 RISC-V 處理器研發(fā)，為客戶提供處理器 IP 和相關(guān)解決方案，目前已經(jīng)發(fā)布了面向 AIoT 的超低功耗產(chǎn)品線，正在研發(fā)面向邊緣計(jì)算的更高性能、帶矢量加速的產(chǎn)品線，并積極和上下游合作伙伴一起共同拓展更加廣闊的市場(chǎng)。 胡振波希望通過(guò)自己和業(yè)界的共同努力，幫助中國(guó)本土處理器產(chǎn)業(yè)抓住這次難得的機(jī)會(huì)！

 

RISC-V 發(fā)展的關(guān)鍵在于軟件和生態(tài)系統(tǒng)

恩智浦（中國(guó)）管理有限公司系統(tǒng)工程總監(jiān) 王朋朋

王朋朋擁有多年的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，她清楚地了解工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要很多資源，包括文檔、開(kāi)發(fā)工具、軟件支持包、硬件參考資料、參考解決方案、設(shè)計(jì)公司協(xié)作開(kāi)發(fā)、人力技術(shù)支持以及培訓(xùn)資源等。正因如此，王總監(jiān)認(rèn)為，RISC-V 要推廣到 MCU 中，難點(diǎn)其實(shí)不在芯片，而是軟件和生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。王總監(jiān)透露，恩智浦現(xiàn)在已經(jīng)是 RISC-V 基金會(huì)的白金會(huì)員，就是希望憑借公司在產(chǎn)業(yè)界多年的積累和影響力來(lái)促進(jìn) RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，而不僅僅是推出采用 RISC-V 架構(gòu)的芯片。

 

為了幫助 RISC-V 建立起一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，恩智浦在 RISC-V 生態(tài)建設(shè)方面做了很多工作：建立了一個(gè)面向所有開(kāi)源 ISA 愛(ài)好者的非盈利性的 RISC-V 社區(qū)（www.open-isa.org），這個(gè)社區(qū)向所有生態(tài)合作伙伴開(kāi)放，全球開(kāi)發(fā)者可以在這里分享創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn)，5 月份 www.open-isa.cn 也會(huì)上線，便于中國(guó)開(kāi)發(fā)者討論和學(xué)習(xí)；推出了兩個(gè) RISC-V 開(kāi)發(fā)板，一個(gè)是 VEGAboard，擁有雙 RISC-V 核芯片和兼容 Arduino 接口的開(kāi)發(fā)板，另一個(gè)是專門針對(duì)中國(guó)大陸定制的織女星開(kāi)發(fā)板，比 VEGAboard 更易用；主辦 RISC-V 應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽，推動(dòng)以 RISC-V 為基礎(chǔ)的 MCU 應(yīng)用生態(tài)的建設(shè)，讓國(guó)內(nèi)廣大的 MCU 應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員更加深入地理解和體驗(yàn) RISC-V 將會(huì)怎樣影響他們的未來(lái)，以此促進(jìn) RISC-V 應(yīng)用的普及。

 

用 RISC-V 做開(kāi)發(fā)，面對(duì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境依然熟悉

恩智浦（中國(guó)）管理有限公司高級(jí)系統(tǒng)工程師 劉華東

在做了多年基于 Arm 架構(gòu)的處理器開(kāi)發(fā)后，劉華東開(kāi)始研究 RISC-V，他從工程師的視角給大家詳細(xì)闡述了基于 RISC-V 指令集做開(kāi)發(fā)與使用以前熟悉的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的不同之處。

 

首先，RISC-V  MCU 是基于 GNU GCC RISC-V 交叉工具鏈做開(kāi)發(fā)的，編譯工具為 Cmake,可以提高編譯效率，而 Arm 架構(gòu)處理器選用的是 Makefile。其次，調(diào)試軟件采用 OpenOCD，只要所連接的硬件調(diào)試器支持標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 協(xié)議，就可以直接使用，如果是已經(jīng)習(xí)慣于 Linux 的用戶，可以繼續(xù)使用命令行方式開(kāi)發(fā)環(huán)境。劉華東介紹，其實(shí)很多嵌入式工程師對(duì) IAR 和 Keil 非常熟悉，所以 RISC-V 社區(qū)提供了 Eclipse 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在標(biāo)準(zhǔn) Eclipse 基礎(chǔ)上添加了插件，并且針對(duì) RISC-V 開(kāi)發(fā)做了優(yōu)化，與工程師原來(lái)所熟悉的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境非常類似。

 

在介紹了恩智浦推出的 VEGAboard 和織女星開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)之后，劉華東詳細(xì)介紹了 RV32M1 內(nèi)核，這是一個(gè)異構(gòu) 4 核 MCU，包括兩個(gè) RISC-V 內(nèi)核（一個(gè) RI5CY 核和一個(gè) ZERO_RISCY 核）和兩個(gè) Arm 內(nèi)核（一個(gè) Cortex-M4F 核和一個(gè) Cortex-M0+核），單芯片就可運(yùn)行 BLE、Mesh/Thread/ZigBee 協(xié)議，特別適合于超低功耗的移動(dòng)設(shè)備。

 

IAR 可以彌補(bǔ) RISC-V 的商用短板

IAR Systems(China)中國(guó)區(qū)經(jīng)理 盛磊  

IAR 是一個(gè)專業(yè)商用開(kāi)發(fā)工具，而 RISC-V 開(kāi)源社區(qū)已經(jīng)有很多免費(fèi)開(kāi)源的開(kāi)發(fā)工具了， 看似收費(fèi)的 IAR 不會(huì)與 RISC-V 產(chǎn)生交集，但實(shí)際上 IAR Systems 是 RISC-V 基金會(huì)的成員，從三年前就開(kāi)始研究 RISC-V。盛磊解釋了 RISC-V 依然需要 IAR 的原因：一個(gè)芯片如果要實(shí)現(xiàn)商用，僅僅具有芯片性能優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義的，只有整個(gè)系統(tǒng)（包括處理器設(shè)計(jì)、主頻和編譯器）具備優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品才會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是如果僅采用免費(fèi)的（如 GCC 等）開(kāi)發(fā)工具，基于 RISC-V 指令集的處理器在整體系統(tǒng)性能上是無(wú)法與成熟的 Arm 架構(gòu)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的。因此，RISC-V 要走向市場(chǎng)，勢(shì)必需要與 IAR 結(jié)合。

 

盛磊介紹，目前 IAR 支持市場(chǎng)上常見(jiàn)的 40 多種架構(gòu)的 MCU，包括基于 Arm 內(nèi)核的 MCU 和各個(gè)公司私有架構(gòu)的 MCU，今年還將會(huì)增加支持 RISC-V 的新產(chǎn)品，計(jì)劃 6 月份推出 1.10 商用版本給合作客戶，并且后續(xù)還會(huì)推出升級(jí)版本。

 

結(jié) 語(yǔ)

可見(jiàn)，無(wú)論是高校、芯片公司還是軟件公司，都對(duì) RISC-V 寄予了厚望，并為之做了很多工作，這是帶給中國(guó)處理器產(chǎn)業(yè)的一道亮光，希望更多的公司參與到 RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)當(dāng)中，幫助中國(guó)處理器產(chǎn)業(yè)抓住這次絕好的機(jī)會(huì)！

 

周末的下午，北京天氣晴好，北航校園依然熙熙攘攘，由聯(lián)誼會(huì)主辦北航出版社承辦的 RISC-V 嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)沙龍， 吸引了來(lái)自高校、媒體、集成電路、嵌入式、IOT 和工業(yè)電子開(kāi)發(fā)的 70 余人參加會(huì)議，IAR 和 NXP 現(xiàn)場(chǎng)做了產(chǎn)品演示，與會(huì)者和發(fā)言人交流互動(dòng)頻頻！

 

由國(guó)內(nèi)知名學(xué)者和產(chǎn)業(yè)人士共同發(fā)起的嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì),成立和運(yùn)作已經(jīng) 11 年了。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)為中國(guó)嵌入式系統(tǒng)不同學(xué)科領(lǐng)域的專家學(xué)者、工程技術(shù)人員、市場(chǎng)和科技媒體人士提供學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)信息交流的環(huán)境，是增進(jìn)個(gè)人友誼的公益性科技沙龍機(jī)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)技術(shù)沙龍是聯(lián)誼會(huì)繼主題討論會(huì)形式外的一個(gè)新的嘗試，更側(cè)重專業(yè)化、年輕化和實(shí)戰(zhàn)性。