RISC-V是中國處理器產(chǎn)業(yè)的一次難得機遇

當前，雖然全球微處理器指令集架構被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(lái)“自主可控”的發(fā)展契機，尤其對于消費類(lèi)、IoT等嵌入式應用，RISC-V更像是一道“曙光”！現在，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，并且涌現出了一批初創(chuàng )的科技公司。目前，雖然RISC-V 架構技術(shù)還在發(fā)展階段，各家芯片平臺也在開(kāi)發(fā)和完善之中，但是RISC-V應用終將落地。中國集成電路老前輩許居衍院士指出：RISC-V當前最適合用于IoT之類(lèi)的“看不見(jiàn)的計算”中，現在看來(lái)RISC-V要形成生態(tài)，希望很可能在中國。

在這樣的契機下，嵌入式系統聯(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(shū)長(cháng)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(guān)點(diǎn)和研究成果，更好地促進(jìn)RISC-V在嵌入式產(chǎn)業(yè)的應用。

RISC-V與RUST相遇，引發(fā)操作系統教學(xué)新嘗試

清華大學(xué)計算機系 陳渝副教授

作為研究操作系統的老師，陳老師認為，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，因為作為重要系統軟件的操作系統負責對硬件進(jìn)行管理和控制，以實(shí)現對上層應用的支持。

陳老師介紹，不同學(xué)校計算機系對操作系統課程教學(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。清華大學(xué)的操作系統課程目標是希望學(xué)生能夠用一種高級語(yǔ)言在某一種CPU上實(shí)現操作系統的設計。陳老師在多年的操作系統教學(xué)實(shí)踐中，一直在做不同的嘗試，比如在x86、MIPS、Arm上實(shí)現，直到2017年，發(fā)現RISC-V是一個(gè)很不錯的選擇。RISC-V本身來(lái)源于學(xué)校，已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(cháng)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節），所以更容易在其上開(kāi)發(fā)應用軟件和操作系統。

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?zhuān)弘m然現在大多數的操作系統選用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不僅有嚴格的安全約束，可以把編譯時(shí)約束轉移到運行時(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)操作系統還是非常有優(yōu)勢的，比如有的同學(xué)在32位環(huán)境下開(kāi)發(fā)的系統，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在硬件架構設計上已經(jīng)做了軟件的一致性考慮。

RISC-V定制處理器助力四足機器人設計

北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生  蔡琳琳

雖然RISC離大規模商用還有一定的距離，但是在高校已經(jīng)有了很多研究和應用。蔡琳琳解釋了她所做的四足機器人課題選用RISC-V架構的原因：原來(lái)對于四足機器人的控制會(huì )選用單片機，因為其外圍設備資源不足，要實(shí)現復雜的功能時(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)現的功能會(huì )更加完善。

在北工大韓德強老師指導下，蔡琳琳設計的四足機器人原來(lái)是采用Arm架構處理器控制的，現在采用基于RISC-V架構的定制處理器實(shí)現。雖然在功能實(shí)現方面區別不大，但是采用Arm架構處理器時(shí)，其PWM引腳是由軟件模擬實(shí)現的，而現在則是由硬件實(shí)現，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)的最后一次機會(huì )

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

作為著(zhù)名的RISC-V技術(shù)推廣者和國內第一顆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RISC-V有著(zhù)深刻和獨到的理解。他認為，在后摩爾時(shí)代，因為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(mǎn)足對整體系統能效比的追求，因此基于領(lǐng)域的架構設計(Design Specific Architecture)設計理念逐漸成為共識和趨勢。系統公司、互聯(lián)網(wǎng)巨頭開(kāi)始全面造芯，更多軟硬件結合的差異化創(chuàng )新正在誕生，芯片也在呈現出類(lèi)似互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)化的趨勢。傳統處理器指令集架構(ISA, Instruction Set Architecture)承載著(zhù)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、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展，也難以把硬件擴展和處理器微架構緊密結合在一起，因此無(wú)法進(jìn)一步提升性能。更為關(guān)鍵的是，找到和培養具備對不同硬件架構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)縫對接、開(kāi)放的可擴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某種應用，而是能夠滿(mǎn)足很多應用領(lǐng)域的不同需求，因此會(huì )得到更多大型公司和社區的支持，生態(tài)系統發(fā)展得更為迅速；RISC-V的平民化讓更多工程師可以接觸到，并迅速應用于億萬(wàn)級的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。

x86和Arm時(shí)代，中國只是處理器的應用市場(chǎng)，雖然一直想要彎道超車(chē)，但終未實(shí)現。胡振波認為，RISC-V是中國處理器產(chǎn)業(yè)的一次機會(huì )，而且很可能是最后一次機會(huì )。芯來(lái)科技主要專(zhuān)注于RISC-V處理器研發(fā)，為客戶(hù)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(xiàn)，正在研發(fā)面向邊緣計算的更高性能、帶矢量加速的產(chǎn)品線(xiàn)，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，幫助中國本土處理器產(chǎn)業(yè)抓住這次難得的機會(huì )！

RISC-V發(fā)展的關(guān)鍵在于軟件和生態(tài)系統

恩智浦（中國）管理有限公司系統工程總監 王朋朋

王朋朋擁有多年的嵌入式系統應用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，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、設計公司協(xié)作開(kāi)發(fā)、人力技術(shù)支持以及培訓資源等。正因如此，王總監認為，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)系統的建設。王總監透露，恩智浦現在已經(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)系統的發(fā)展，而不僅僅是推出采用RISC-V架構的芯片。

為了幫助RISC-V建立起一個(gè)強大的生態(tài)系統，恩智浦在RISC-V生態(tài)建設方面做了很多工作：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，這個(gè)社區向所有生態(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，5月份www.open-isa.cn也會(huì )上線(xiàn)，便于中國開(kāi)發(fā)者討論和學(xué)習；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(zhuān)門(mén)針對中國大陸定制的織女星開(kāi)發(fā)板，比VEGAboard更易用；主辦RISC-V應用設計大賽，推動(dòng)以RISC-V為基礎的MCU應用生態(tài)的建設，讓國內廣大的MCU應用開(kāi)發(fā)人員更加深入地理解和體驗RISC-V將會(huì )怎樣影響他們的未來(lái)，以此促進(jìn)RISC-V應用的普及。

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

恩智浦（中國）管理有限公司高級系統工程師 劉華東

在做了多年基于A(yíng)rm架構的處理器開(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架構處理器選用的是Makefile。其次，調試軟件采用OpenOCD，只要所連接的硬件調試器支持標準的JTAG協(xié)議，就可以直接使用，如果是已經(jīng)習慣于Linux的用戶(hù)，可以繼續使用命令行方式開(kāi)發(fā)環(huán)境。劉華東介紹，其實(shí)很多嵌入式工程師對IAR和Keil非常熟悉，所以RISC-V社區提供了Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在標準Eclipse基礎上添加了插件，并且針對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)調試環(huán)境非常類(lèi)似。

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

IAR可以彌補RISC-V的商用短板

IAR Systems(China)中國區經(jīng)理 盛磊 

IAR是一個(gè)專(zhuān)業(yè)商用開(kāi)發(fā)工具，而RISC-V開(kāi)源社區已經(jīng)有很多免費開(kāi)源的開(kāi)發(fā)工具了， 看似收費的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)現商用，僅僅具有芯片性能優(yōu)勢是沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義的，只有整個(gè)系統（包括處理器設計、主頻和編譯器）具備優(yōu)勢，產(chǎn)品才會(huì )有競爭力?？梢灶A見(jiàn)的是如果僅采用免費的（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性能上是無(wú)法與成熟的Arm架構產(chǎn)品競爭的。因此，RISC-V要走向市場(chǎng)，勢必需要與IAR結合。

盛磊介紹，目前IAR支持市場(chǎng)上常見(jiàn)的40多種架構的MCU，包括基于A(yíng)rm內核的MCU和各個(gè)公司私有架構的MCU，今年還將會(huì )增加支持RISC-V的新產(chǎn)品，計劃6月份推出1.10商用版本給合作客戶(hù)，并且后續還會(huì )推出升級版本。

結 語(yǔ)

可見(jiàn)，無(wú)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)系統的建設當中，幫助中國處理器產(chǎn)業(yè)抓住這次絕好的機會(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！

由國內知名學(xué)者和產(chǎn)業(yè)人士共同發(fā)起的嵌入式系統聯(lián)誼會(huì ),成立和運作已經(jīng)11年了。嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )為中國嵌入式系統不同學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)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構。嵌入式系統聯(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，更側重專(zhuān)業(yè)化、年輕化和實(shí)戰性。