RISC-V: Ein neues Zeitalter der Innovation für Embedded Design eröffnen

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Anonim

RISC-V: Ein neues Zeitalter der Innovation für Embedded Design eröffnen


Dieser Artikel untersucht die Vorteile, die hinter dem Open-Source-Hardwaremodell von RISC-V stehen, und diskutiert dessen Langlebigkeit, Portabilität und Zuverlässigkeit.

Die Dynamik hinter RISC-V für Embedded-Anwendungen ist unbestreitbar. Heute hat die RISC-V Foundation mehr als 100 Unternehmen hinter der freien und offenen RISC-V-Instruction-Set-Architektur (ISA), und ihre Mitgliedschaft wächst rasant, da immer mehr Anbieter von Tools, Software, Hardware und Betriebssystem an Bord gehen. Mit seinem expandierenden Ökosystem bietet RISC-V sowohl Software- als auch Hardwaredesignern eine überzeugende Alternative zu etablierten Embedded-Prozessoren und eröffnet eine neue Ära der Prozessorinnovation in Embedded-Designs, wenn die Akzeptanz wächst.

Abbildung 1. Der Marketing-Vorsitzende der RISC-V-Stiftung, Ted Marena, erläutert die Vorteile von RISC-V.

Die Gründe für die Einführung von RISC-V in eine neue Ära sind auf drei Schlüsselfaktoren zurückzuführen: Langlebigkeit, Portabilität und Zuverlässigkeit. Alle drei Gründe sind mit dem verbunden, was RISC-V besonders attraktiv macht. Im Gegensatz zu den bereits etablierten Prozessorarchitekturen, die häufig Anweisungen für jede Generation hinzufügen, können sich Entwickler auf eine feste ISA mit RISC-V verlassen und so die Langlebigkeit ihrer Softwareinvestitionen sicherstellen. Diese Langlebigkeit ist besonders vorteilhaft für Embedded-Anwendungen, bei denen funktionale Sicherheit, Zertifizierung und lange Produktlebenszyklen wichtig sind.

Eine eingefrorene ISA

Um den breiten Einsatz von RISC-V zu ermöglichen und dem Markt Prozessorarchitekturen zu überlassen, hat das UC Berkeley-Engineering-Team hinter RISC-V die ISA kurz vor der Einführung der Technologie beim 25. Hot-Chips-Symposium 2014 eingefroren. Mit der Gründung der Gemeinnützige RISC-V-Stiftung im Jahr 2015, Mitglieder sind mit der Aufgabe, die zukünftige Entwicklung der HW / SW-Spezifikationen und des Ökosystems zu steuern, sowie die Annahme der ISA voranzutreiben. Mit der Basis-ISA, die in Stein gemeißelt ist, und optionalen Erweiterungen, die verfügbar gemacht werden, können Entwickler Prozessoren implementieren, die auf ihre spezifischen Arbeitslasten zugeschnitten sind, anstatt mit einem Standard-Standard-Prozessor-Design arbeiten zu müssen, das wenig Platz für Anpassungen lässt.

Zahlreiche RTOS- und Vollbetriebssysteme unterstützen jetzt RISC-V. RISC-V ist besonders attraktiv für Embedded-Anwendungen wegen der zunehmenden Nutzung des Linux-Betriebssystems. Dies ermöglicht es Entwicklern, die ISA schnell als neue offene Standardarchitektur für direkte native Hardware-Implementierungen zu übernehmen. Selbst wenn Linux nicht verwendet wird, sind die eingefrorene Architektur, Langlebigkeit, Portabilität und Zuverlässigkeit, für die sich ISA eignet, Schlüsselfaktoren, die berücksichtigt werden müssen.

RISC-V-Erweiterungen

Ein eingefrorener ISA bedeutet, dass Software einmal entwickelt und unbegrenzt auf jedem RISC-V-Gerät ausgeführt werden kann, das die eventuell verwendeten Erweiterungen unterstützt. Erweiterungen sind die einzige Methode, mit der neue Anweisungen hinzugefügt werden können. Derzeit gibt es fünf Erweiterungen, die ebenfalls eingefroren wurden. Diese Erweiterungen umfassen:

  • M für Integer multiplizieren und dividieren.
  • A für atomare Anweisungen
  • F für Gleitkommazahlen mit einfacher Genauigkeit
  • D für Gleitkommazahl mit doppelter Genauigkeit
  • C für komprimierte Anweisungen

RISC-V-Prozessor Vorteile

Dieses Maß an Vorhersagbarkeit und Einfachheit hat viele Vorteile für Prozessordesigns und Softwareentwicklung. Schauen wir uns jeden einzelnen an.

Langlebigkeit

Die RISC-V ISA bietet eine stabile, saubere Slate-Design-Plattform mit klarer und sicherer Trennung zwischen Benutzer- und privilegierten Modi, da die ISA fest ist und weniger als 50 Anweisungen enthält. Wenn alle der mehreren Standarderweiterungen implementiert sind, ist die Gesamtzahl immer noch kleiner als 200. Anstatt neue Versionen der ISA einzuführen, werden Ergänzungen zum Standardbefehlssatz durch Erweiterungen vorgenommen, was zusätzliche Stabilität in zukünftigen Designs ermöglicht. Weniger Anweisungen bedeuten, dass einfachere Architekturen erstellt werden können, was zu Kosteneffektivität und Leistungseffizienz bei der Prozessorimplementierung führt. Für Softwareentwickler bedeutet dies konservierte Investitionen. Schreiben Sie Software einmal und führen Sie sie für immer auf einem RISC-V-Core aus. Dies ist oft kritisch für Produkte mit einer langen Produktlebensdauer, die für Jahrzehnte unterstützt werden müssen, sowie für Anwendungen, die strenge Zertifizierungsanforderungen erfüllen müssen, wenn Software nicht modifiziert werden kann.

Portabilität

RISC-V vereinfacht das Hochlaufen von Designs erheblich. Zum Beispiel kann ein Design in einem FPGA mit einem weichen RISC-V-Core ausgeliefert werden (Abbildung 1). Da die Software auf allen Geräten, die über einen RISC-V-Kern verfügen, vollständig portierbar ist, verfügen Entwickler über einen im Wesentlichen "lizenzgebührenfreien" RTX-Prozessorsubsystem-Systemcode, der in Hardware implementiert werden kann. Designer können ihr Design modifizieren, anpassen und auf die beste Plattform für ihr Produkt migrieren. Wenn das ausgewählte FPGA durch das Gerät der nächsten Generation ersetzt werden muss, muss der Softwarecode nicht neu geschrieben werden. Die vorhandene Quell-RTL muss einfach auf das andere FPGA neu ausgerichtet werden. Wenn die Datenmengen hoch genug sind, kann die gleiche RTL-Quelle auf einen ASIC umgeleitet werden, ohne dass dafür Lizenzgebühren bezahlt werden müssen. Dieses Szenario ist mit einem Prozessor vom Typ ARM oder x86 nicht möglich.

Abbildung 2. Das RISC-V IP-Kerndiagramm.

Zuverlässigkeit und Sicherheit

Die Flexibilität von RISC-V ermöglicht einzigartige Lösungen, insbesondere für Embedded-Designs, die funktionale Sicherheit erfordern. Zum Beispiel in Systemen mit mehreren funktional äquivalenten Kernen, die autonom für die ultimative Redundanz ausgelegt sind. Ein solcher Kern könnte der Microsemi Mi-V RV32IM sein, und der andere Kern könnte ein funktional äquivalentes, jedoch völlig anderes, internes Design sein. RISC-V ermöglicht auch vollständige Flexibilität über die Mikroarchitektur; So könnte ein Kern Schutzmaßnahmen für einzelne Ereignisse (single event upset, SEU) für den Daten- und Instruktions-Cache-Speicher bereitstellen. Viele andere Sicherheitsverhinderungstechniken können verwendet werden, da RISC-V den Zugriff auf die RTL erlaubt.

Während die etablierten Varianten von Intel x86- und ARM-Prozessorarchitekturen wahrscheinlich nicht so bald wieder verschwinden werden, ist das RISC-V-Prozessor-Ökosystem auf ein schnelles Wachstum im Embedded-Markt vorbereitet, da die Entwickler die Freiheit anpassen müssen. Das Design der Prozessorarchitektur ist von Natur aus flexibel, so dass eine Implementierung einige Vorgänge ausführen kann, die in der Hardware beschleunigt werden können, oder zum Beispiel speziell für niedrige Leistung optimiert sind. Entwickler haben auch die Flexibilität, jede gewünschte Busschnittstelle anzuschließen, anstatt nur an die Busse gebunden zu sein, die etablierte Prozessorhersteller anbieten. Aufgrund der festen Natur der ISA ist jede Variation in der RISC-V-Mikroarchitektur akzeptabel.

RISC-V-Ressourcen

Um mehr über RISC-V für Ihr nächstes Design zu erfahren, gibt es mehrere Stellen, an denen Sie beginnen können.

Hintergrundinformationen zu RISC-V und seinen Mitgliedern finden Sie auf der Website der RISC-V Foundation. Wenn Sie direkt in den C-Code für einen RISC-V-Core einsteigen möchten, besuchen Sie Microsemis Github-Site und sehen Sie sich die RISC-V-Projekte für das Creative Development Board IGLOO2 an. Microsemi war der erste FPGA-Anbieter, der einen RISC-V IP-Core mit offener Architektur und eine umfassende Software-IDE-Lösung anbietet. Entwickler können den RISC-V IP-Core in mehreren Flash-basierten FPGAs einsetzen, einschließlich PolarFire FPGAs, IGLOO2 und RTG4-Geräten. Die Mi-V Creative-Karte (Abbildung 2) enthält ein IGLOO2-FPGA, das mit einem RISC-V-Core vorprogrammiert ist, auf dem "Hello World" sofort ausgeführt wird.

Für die Entwicklung von Software-Code bietet die Eclipse-basierte Soft-Console-Entwicklungsumgebung (IDE), die auf einer Linux- oder Windows-Plattform gehostet wird, vollständige Entwicklungsunterstützung, einschließlich einer C- oder C ++ - Compiler- und Debugger-Funktion. Der Microsemi RISC-V IP-Core, die Libero SoC-Entwicklungssoftware und die Soft Console IDE können kostenlos von der Microsemi Github-Website heruntergeladen werden.

Abbildung 3. M2GL025 Creative Board mit vorprogrammiertem RISC-V Core

Mit seiner eingefrorenen ISA, Einfachheit, Portabilität und Zuverlässigkeit bietet RISC-V Designern ein völlig neues Prozessor-Paradigma, um über die Grenzen des etablierten Prozessorstatus hinaus zu gehen und die Grenzen der Innovation zu verschieben.


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