《電子技術(shù)應(yīng)用》
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RISC-V是中國處理器產(chǎn)業(yè)的一次難得機(jī)遇

2019-05-10
關(guān)鍵詞: RISC-V 嵌入式

  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,,給中國處理器IP帶來“自主可控”的發(fā)展契機(jī),,尤其對于消費(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)也在開發(fā)和完善之中,,但是RISC-V應(yīng)用終將落地,。中國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“看不見的計(jì)算”中,現(xiàn)在看來RISC-V要形成生態(tài),,希望很可能在中國,。

  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嵌入式開發(fā)這一主題,。正如嵌入式聯(lián)誼會(huì)秘書長何小慶所言: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。

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嵌入式聯(lián)誼會(huì)秘書長何小慶

  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精簡指令集聽起來屬于硬件范疇,,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)對硬件進(jìn)行管理和控制,以實(shí)現(xiàn)對上層應(yīng)用的支持。

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  陳老師介紹,,不同學(xué)校計(jì)算機(jī)系對操作系統(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本身來源于學(xué)校,,已經(jīng)經(jīng)過長期的探索,,而且它是開源的,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的開發(fā)語言,,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語言開發(fā),,但是還是存在潛在的安全問題,所以目前國外很多學(xué)校也都在探索使用C語言之外的語言做開發(fā),,比如MIT嘗試使用Go語言,。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?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)過兩年的教學(xué)實(shí)踐,陳老師表示在RISC-V上開發(fā)操作系統(tǒng)還是非常有優(yōu)勢的,,比如有的同學(xué)在32位環(huán)境下開發(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:原來對于四足機(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是中國處理器產(chǎn)業(yè)的最后一次機(jī)會(huì)

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

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  作為著名的RISC-V技術(shù)推廣者和國內(nèi)第一顆RISC-V開源處理器蜂鳥E203的作者,,芯來科技創(chuàng)始人胡振波對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)槟柖珊偷羌{德縮放定律的相繼失效,通用處理器逐漸無法滿足對整體系統(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,。系統(tǒng)公司、互聯(lián)網(wǎng)巨頭開始全面造芯,,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。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,, 在開發(fā)中多種編程模型共存,需要嵌入式開發(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)展帶來很多困難。

  而RISC-V具有4個(gè)特點(diǎn),,分別是簡單和一致性,、學(xué)校和產(chǎn)業(yè)能夠無縫對接、開放的可擴(kuò)展性以及編程效率高,,正好可以解決嵌入式開發(fā)中的很多痛點(diǎn),。RISC-V的開放性決定了它不再只是針對某種應(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)用于億萬級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)市場,。

  x86和Arm時(shí)代,,中國只是處理器的應(yīng)用市場,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,。 胡振波希望通過自己和業(yè)界的共同努力,幫助中國本土處理器產(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)管理有限公司系統(tǒng)工程總監(jiān) 王朋朋

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  王朋朋擁有多年的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn),,她清楚地了解工程師在開發(fā)過程中需要很多資源,包括文檔,、開發(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)面向所有開源ISA愛好者的非盈利性的RISC-V社區(qū)(www.open-isa.org),這個(gè)社區(qū)向所有生態(tài)合作伙伴開放,,全球開發(fā)者可以在這里分享創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn),,5月份www.open-isa.cn <http://www.open-isa.cn>也會(huì)上線,便于中國開發(fā)者討論和學(xué)習(xí),;推出了兩個(gè)RISC-V開發(fā)板,,一個(gè)是VEGAboard,擁有雙RISC-V核芯片和兼容Arduino接口的開發(fā)板,,另一個(gè)是專門針對中國大陸定制的織女星開發(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),,讓國內(nèi)廣大的MCU應(yīng)用開發(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,以此促進(jìn)RISC-V應(yīng)用的普及,。

  用RISC-V做開發(fā),,面對的開發(fā)環(huán)境依然熟悉

  恩智浦(中國)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)的處理器開發(fā)后,劉華東開始研究RISC-V,,他從工程師的視角給大家詳細(xì)闡述了基于RISC-V指令集做開發(fā)與使用以前熟悉的嵌入式開發(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)使用命令行方式開發(fā)環(huán)境。劉華東介紹,,其實(shí)很多嵌入式工程師對IAR和Keil非常熟悉,,所以RISC-V社區(qū)提供了Eclipse集成開發(fā)環(huán)境,在標(biāo)準(zhǔn)Eclipse基礎(chǔ)上添加了插件,,并且針對RISC-V開發(fā)做了優(yōu)化,,與工程師原來所熟悉的開發(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)中國區(qū)經(jīng)理 盛磊

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  IAR是一個(gè)專業(yè)商用開發(fā)工具,,而RISC-V開源社區(qū)已經(jīng)有很多免費(fèi)開源的開發(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)勢是沒有實(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,產(chǎn)品才會(huì)有競爭力,??梢灶A(yù)見的是如果僅采用免費(fèi)的(如GCC等)開發(fā)工具,基于RISC-V指令集的處理器在整體系統(tǒng)性能上是無法與成熟的Arm架構(gòu)產(chǎn)品競爭的,。因此,,RISC-V要走向市場,勢必需要與IAR結(jié)合,。

  盛磊介紹,,目前IAR支持市場上常見的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

  可見,,無論是高校、芯片公司還是軟件公司,,都對RISC-V寄予了厚望,,并為之做了很多工作,這是帶給中國處理器產(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,,幫助中國處理器產(chǎn)業(yè)抓住這次絕好的機(jī)會(huì)!

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  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 嵌入式開發(fā)技術(shù)沙龍,, 吸引了來自高校,、媒體,、集成電路,、嵌入式,、IOT 和工業(yè)電子開發(fā)的70余人參加會(huì)議,IAR 和NXP 現(xiàn)場做了產(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,。


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