从“谈芯”走向“用芯” RISC-V 未来前景光明?

黎峰吖

2019年2月，笔者参观了德国纽伦堡嵌入式世界展。西部数据公司在展会上介绍了其产品已经使用了RISC-V 架构处理器，每年出货超过10亿颗RISC-V芯片，未来还将翻倍。RISC-V基金会被邀请在纽伦堡大会上举办一个全天的课程和RISC-V专区展示，包括Andes Technology、CloudBEAR、GreenWaves Technologies、Imperas Software、SiFive、Syntacore和UltraSoC等成员公司和大学的演讲。展览期间笔者看到许多著名的嵌入式软件和工具公司，都开始支持RISC-V。比如，德国SEGGER、劳特巴赫、瑞典IAR、Amazon FreeRTOS、嵌入式芯片公司NXP和Microchip，都展示出他们的RISC-V MCU产品。

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RISC-V是开源指令集架构

RISC-V是一种开源的指令集架构，它不是一款CPU产品。一个CPU支持的指令和指令的字节级编码，就是CPU的指令集(ISA)。ISA在CPU软件和CPU硬件设计者之间，提供了一个抽象层(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是其中唯一的开源ISA，它起源于加州伯克利大学，采用开源BSD license，任何企业、大学和个人都可以遵循RISC-V架构设计CPU，现在全球已有几十个开源版本RISC-V CPU核。

商业公司定制适合自己使用的RISC-V内核，比如西部数据的SweRV(RISCV 32IMC Core)，还有一些商业IP公司开发RISC-V CPU IP，比如名气最多的SiFive 已经有E和S核2、3、5、7四大系列，覆盖32位—64位嵌入式和高端应用处理器领域。

如何管理RISC-V开源项目?RISC-V基金会成立于2015年，由超过235名成员组成，其中有20家中国机构。它是开放、协作的软件和硬件创新者社区，基金会指导未来发展并推动RISC-V ISA广泛应用。

中国有RISC-V产业和中国开放指令生态(RISC-V)两个联盟，推动RISC-V在中国的发展。

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RISC-V具有三大优势

RISC-V最大的优势就是开源和免费。免费意味着RISC-V可以帮助开发者低成本完成CPU设计，如果最终量产，那么就免去面对版税纠纷。ISA开源意味着开发者可以针对特定应用场景，比如近期火热的AIoT市场，创造自己的AIoT芯片架构。当然，基金会鼓励使用RISC-V指令集标准模块或者组合。比如，苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich)开源的Zero-riscy 内核，采用是RV32IMC，RV32I指令加上M扩展和C扩展，M指的整数乘法和除法，C指的是压缩。NXP织女星开发板(VGEA)MCU采用的就是Zero—riscy开源内核。

RISC-V第二个优势就是简单。基础指令集只有40多条，短小精悍的架构和模块化指令集让使用RISC-V技术的芯片设计者，可以开发出很简单的RISC-V CPU。该CPU功耗可以很小，代码密度也比较低。为了满足嵌入式和物联网对代码体积的高要求，RISC-V定义了一种可选的压缩(Compressed)指令子集，由字母C表示，也可以由RVC表示。测试表明，RV32C的代码体积相比RV32的代码体积减少了40%，与ARM、MIPS和x86等架构相比，都有不错的表现，甚至与ARM Thumb-2基本一样。

RISC-V第三个优势是灵活性。RISC-V架构通过预留大量的编码空间和4条用户指令，可以帮助用户扩展指令集。这个特性在现在的AIoT和信息安全市场，获得了特别的关注。

RISC-V商业IP公司，比如，Andes(晶心科技)，还提供了定制化指令工具Andes Custom Extension，让用户在做应用加速的时候，可以达到更快、更有效率的方式。

多核异构是RISC-V架构芯片设计的一个特点，比如，法国GreenWave开发的Gap8 CPU，内置8个RISC-V内核和AI加速器，功耗优化的很低，面向AI边缘技术节点设备。

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生态建设是关键

决定一款CPU是否能够广泛普及的因素中，架构和指令集并不是最重要的事情。历史上X86横扫桌面电脑、POWERPC独占通讯设备、ARM称雄移动终端，以及8051/PIC/MSP430/ATMEL百花齐放单片机世界，重要的是CPU所拥有的生态环境。比如，一款通用的嵌入式CPU，需要让开发者很方便地接触到中文资料文档、简单易用的开源商业开发工具、固件库、软件库、嵌入式OS和Linux以及丰富设计方案。

生态建设最漫长的环节是大学计划。大学计划做的好，学生从毕业开始，就已经掌握CPU的架构和使用方法。比如，高校的微机原理课程长期以X86和ARM为基础，嵌入式课程多是ARM架构，单片机课程除了ARM还有一些8051。

今天开源的RISC-V架构在高校很受欢迎。在嵌入式系统联谊会组织的“RISC-V架构嵌入式开发研究与实践技术沙龙”上，清华大学陈渝副教授指出，RISC-V来源于学校，已经经过长期探索。而且，它是开源的，学生可以接触到关于它的所有信息，不像x86和Arm，很难深入了解更多细节。所以，RISC-V更容易开发应用软件和操作系统。很多教师选择RUST语言指导学生在RISC-V架构上写一个小操作系统，高校关注RISC-V的老师们越多，或者开设的基于RISC-V课越多，将来毕业学生上手就越快。RISC-V中文图书并不多，芯来科技创始人胡振波的两本书是学习RISC-V的宝典。最近开始的由NXP发起的Open-ISA开源社区RISC-V MCU创新大赛也是RISC-V生态建设的很好的尝试，希望能在更多的电子、嵌入式和物联网大赛中看到RISC-V芯片的身影。

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