ARM或遭挑戰(zhàn)？ RISC-V未來前景如何

　　近日，RISC-V指令集和開源硬件的領(lǐng)導(dǎo)者SiFive宣布，公司完成了6540萬美元（約合人民幣4.5億）的融資。其中，移動芯片市場的巨頭高通也參與了SiFive的融資。

　　2019年2月，西部數(shù)據(jù)公司在德國紐倫堡嵌入式世界展上介紹了其產(chǎn)品已經(jīng)使用了RISC-V架構(gòu)處理器，每年出貨超過10億顆RISC-V芯片，未來還將翻倍。RISC-V基金會被邀請在紐倫堡大會上舉辦一個全天的課程和RISC-V專區(qū)展示，包括Andes Technology、CloudBEAR、GreenWaves Technologies、Imperas Software、SiFive、Syntacore和UltraSoC等成員公司和大學(xué)的演講。展覽期間筆者看到許多著名的嵌入式軟件和工具公司，都開始支持RISC-V。比如，德國SEGGER、勞特巴赫、瑞典IAR、Amazon FreeRTOS、嵌入式芯片公司NXP和Microchip，都展示出他們的RISC-V MCU產(chǎn)品。

　　RISC-V是開源指令集架構(gòu)

　　RISC-V是一種開源的指令集架構(gòu)，它不是一款CPU產(chǎn)品。一個CPU支持的指令和指令的字節(jié)級編碼，就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU軟件和CPU硬件設(shè)計者之間，提供了一個抽象層(接口)。

　　不同的CPU家族，例如Intel X86、IBM/Freescale PowerPC和ARM，都有不同的ISA。RISC-V是其中唯一的開源ISA，它起源于加州伯克利大學(xué)，采用開源BSD license，任何企業(yè)、大學(xué)和個人都可以遵循RISC-V架構(gòu)設(shè)計CPU，現(xiàn)在全球已有幾十個開源版本RISC-V CPU核。

　　商業(yè)公司定制適合自己使用的RISC-V內(nèi)核，比如西部數(shù)據(jù)的SweRV(RISCV 32IMC Core)，還有一些商業(yè)IP公司開發(fā)RISC-V CPU IP，比如名氣最多的SiFive已經(jīng)有E和S核2、3、5、7四大系列，覆蓋32位—64位嵌入式和高端應(yīng)用處理器領(lǐng)域。

　　如何管理RISC-V開源項目?RISC-V基金會成立于2015年，由超過235名成員組成，其中有20家中國機構(gòu)。它是開放、協(xié)作的軟件和硬件創(chuàng)新者社區(qū)，基金會指導(dǎo)未來發(fā)展并推動RISC-V ISA廣泛應(yīng)用。

　　中國有RISC-V產(chǎn)業(yè)和中國開放指令生態(tài)(RISC-V)兩個聯(lián)盟，推動RISC-V在中國的發(fā)展。

　　RISC-V具有三大優(yōu)勢

　　RISC-V最大的優(yōu)勢就是開源和免費。免費意味著RISC-V可以幫助開發(fā)者低成本完成CPU設(shè)計，如果最終量產(chǎn)，那么就免去面對版稅糾紛。ISA開源意味著開發(fā)者可以針對特定應(yīng)用場景，比如近期火熱的AIoT市場，創(chuàng)造自己的AIoT芯片架構(gòu)。當(dāng)然，基金會鼓勵使用RISC-V指令集標(biāo)準(zhǔn)模塊或者組合。比如，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)(ETH Zurich)開源的Zero-riscy內(nèi)核，采用是RV32IMC，RV32I指令加上M擴展和C擴展，M指的整數(shù)乘法和除法，C指的是壓縮。NXP織女星開發(fā)板(VGEA)MCU采用的就是Zero—riscy開源內(nèi)核。

　　RISC-V第二個優(yōu)勢就是簡單。基礎(chǔ)指令集只有40多條，短小精悍的架構(gòu)和模塊化指令集讓使用RISC-V技術(shù)的芯片設(shè)計者，可以開發(fā)出很簡單的RISC-V CPU。該CPU功耗可以很小，代碼密度也比較低。為了滿足嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)對代碼體積的高要求，RISC-V定義了一種可選的壓縮(Compressed)指令子集，由字母C表示，也可以由RVC表示。測試表明，RV32C的代碼體積相比RV32的代碼體積減少了40%，與ARM、MIPS和x86等架構(gòu)相比，都有不錯的表現(xiàn)，甚至與ARM Thumb-2基本一樣。

　　RISC-V第三個優(yōu)勢是靈活性。RISC-V架構(gòu)通過預(yù)留大量的編碼空間和4條用戶指令，可以幫助用戶擴展指令集。這個特性在現(xiàn)在的AIoT和信息安全市場，獲得了特別的關(guān)注。

　　RISC-V商業(yè)IP公司，比如，Andes(晶心科技)，還提供了定制化指令工具Andes Custom Extension，讓用戶在做應(yīng)用加速的時候，可以達(dá)到更快、更有效率的方式。

　　多核異構(gòu)是RISC-V架構(gòu)芯片設(shè)計的一個特點，比如，法國GreenWave開發(fā)的Gap8 CPU，內(nèi)置8個RISC-V內(nèi)核和AI加速器，功耗優(yōu)化的很低，面向AI邊緣技術(shù)節(jié)點設(shè)備。

　　生態(tài)建設(shè)是關(guān)鍵

　　決定一款CPU是否能夠廣泛普及的因素中，架構(gòu)和指令集并不是最重要的事情。歷史上X86橫掃桌面電腦、POWERPC獨占通訊設(shè)備、ARM稱雄移動終端，以及8051/PIC/MSP430/ATMEL百花齊放單片機世界，重要的是CPU所擁有的生態(tài)環(huán)境。比如，一款通用的嵌入式CPU，需要讓開發(fā)者很方便地接觸到中文資料文檔、簡單易用的開源商業(yè)開發(fā)工具、固件庫、軟件庫、嵌入式OS和Linux以及豐富設(shè)計方案。

　　生態(tài)建設(shè)最漫長的環(huán)節(jié)是大學(xué)計劃。大學(xué)計劃做的好，學(xué)生從畢業(yè)開始，就已經(jīng)掌握CPU的架構(gòu)和使用方法。比如，高校的微機原理課程長期以X86和ARM為基礎(chǔ)，嵌入式課程多是ARM架構(gòu)，單片機課程除了ARM還有一些8051。

　　今天開源的RISC-V架構(gòu)在高校很受歡迎。在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會組織的“RISC-V架構(gòu)嵌入式開發(fā)研究與實踐技術(shù)沙龍”上，清華大學(xué)陳渝副教授指出，RISC-V來源于學(xué)校，已經(jīng)經(jīng)過長期探索。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，RISC-V更容易開發(fā)應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)。很多教師選擇RUST語言指導(dǎo)學(xué)生在RISC-V架構(gòu)上寫一個小操作系統(tǒng)，高校關(guān)注RISC-V的老師們越多，或者開設(shè)的基于RISC-V課越多，將來畢業(yè)學(xué)生上手就越快。RISC-V中文圖書并不多，芯來科技創(chuàng)始人胡振波的兩本書是學(xué)習(xí)RISC-V的寶典。最近開始的由NXP發(fā)起的Open-ISA開源社區(qū)RISC-V MCU創(chuàng)新大賽也是RISC-V生態(tài)建設(shè)的很好的嘗試，希望能在更多的電子、嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)大賽中看到RISC-V芯片的身影。

　　標(biāo)準(zhǔn)化還是多樣化?

　　現(xiàn)有的CPU架構(gòu)多是通用性的。在IoT場景中，許多智能分析工作正在向邊緣轉(zhuǎn)移。根據(jù)特定的需求，使用RISC-V架構(gòu)定制化IoT芯片更靈活，而且有針對性。現(xiàn)在RISC-V架構(gòu)的設(shè)計，除了基礎(chǔ)的指令集保證系統(tǒng)軟件、開發(fā)環(huán)境的兼容性之外，它本身允許按照新的不同開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行擴展，這樣可以保證IoT應(yīng)用中的專用性需求。

　　NXP中國MCU高級經(jīng)理梁平最近撰文指出：“對于這種非標(biāo)準(zhǔn)的部分，將較難受益于豐富的生態(tài)機制，其生產(chǎn)廠家自行提供相應(yīng)的支持和配套的解決方案，例如需要修改編譯器以支持新的指令、需要增改配置調(diào)試工具以適應(yīng)新的總線或存儲接口等。”

　　筆者觀察到，著名的嵌入式編譯器公司最近發(fā)布的IAR Embedded Workbench for RISC-V也只能支持RV32IM/IMC/IMF/IMFC/IMFD/IMFDC基礎(chǔ)指令和標(biāo)準(zhǔn)擴展指令集。各種定制化的芯片只能支持該芯片企業(yè)自己維護(hù)的工具鏈，每家芯片公司維護(hù)自身RISC-V架構(gòu)的編譯器、SDK、工具鏈，基于GCC、LLVM等實現(xiàn)開源化，是一個耗時耗力巨大的工程。期待未來RISC-V與Linux基金會的合作，帶來RISC-V軟件的突破。然而，要使RISC-V真正在商業(yè)基礎(chǔ)上起飛，還需要商業(yè)級工具和軟件。

　　物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式將是RISC-V最先落地和最大的應(yīng)用市場。因為生態(tài)的關(guān)系，相當(dāng)一段時間內(nèi)，RISC-V將與ARM同行發(fā)展，即一個設(shè)計中，既能使用ARM也能使用RISC-V，或者同一顆芯片里，可以同時有兩種內(nèi)核。RISC-V發(fā)展中要防范碎片化，聯(lián)盟應(yīng)加強引導(dǎo)，先是做標(biāo)準(zhǔn)化，共同做大RISC-V蛋糕，然后才是差異化。未來RISC-V生態(tài)環(huán)境要從圍繞芯片設(shè)計轉(zhuǎn)向開發(fā)者教育和實踐階段。據(jù)悉今年夏末，國內(nèi)某著名MCU企業(yè)將推出RISC-V通用MCU，屆時RISC-V“談芯”將轉(zhuǎn)向“用芯”，智聯(lián)網(wǎng)時代的嵌入式開發(fā)者將更方便的評估和使用RISC-V這一新技術(shù)。

   作者何小慶，系中國軟件行業(yè)協(xié)會嵌入式系統(tǒng)分會副理事長