RISC-V Prozessoren und SoCs für eingebettete Systeme

Erstellt: August 3, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Jeder Mikroprozessor basiert auf einer Befehlssatzarchitektur (Instruction Set Architecture, ISA), die die hochrangigen Funktionen definiert, die zur Ausführung von Rechenoperationen mit digitalen Daten verwendet werden. Eine ISA ist eine der Kernkomponenten einer CPU, die definiert, wie die Software mit der Hardware kommunizieren wird. Sie definiert im Grunde Befehle auf eine Weise, die eine Maschine verstehen kann, und umfasst typischerweise Anweisungen für Speicheroperationen, Datenhandhabung, arithmetische Operationen, logische Operationen und Steuerflussoperationen. Eine ISA definiert auch, wie Anweisungen gespeichert, kodiert und zugegriffen werden.

Die dominierenden ISAs der letzten zwei Jahrzehnte waren x86, x64 und ARM, die alle die Adoption von persönlicher und eingebetteter Computertechnik auf das heutige Niveau vorangetrieben haben. Während ARM zu den am meisten genutzten Prozessorarchitekturen gehört, wird eine neue Open-Source-Konkurrenz von der Halbleiterindustrie angenommen. Diese alternative Architektur ist RISC-V (ausgesprochen „risk five“), und sie wurde von der Open-Source-Gemeinschaft und Halbleiterherstellern als Alternative zu ARM und x86/x64-Architekturen angenommen.

Obwohl wir nicht erwarten, dass Intels x86/x64 oder ARM-Architekturen so bald verschwinden, bietet RISC-V eine überzeugende Open-Source-Alternative. Nun unterstützen einige Halbleiterhersteller RISC-V-Implementierungen in ihren FPGAs, und die Open-Source-Gemeinschaft hat mit einer Welle von Hersteller-IPs und Bibliotheken geantwortet, um die Entwicklung zu beschleunigen. In diesem Artikel werden wir uns einige der neuesten RISC-V-basierten Produkte ansehen, die von Halbleiterherstellern auf den Markt gebracht wurden.

Was ist RISC-V?

Die RISC-V ISA ist eine Open-Source-ISA, die verwendet werden kann, um die grundlegenden niedrigen digitalen Datenmanipulationen zu definieren, die in einem Mikroprozessorkern implementiert sind. Die Spezifikation verwendet einen Satz von 49 Anweisungen, die mit 32-Bit-Implementierungen in Hardware kompatibel sind. Die Wortbreite kann bei 64 Bits mit einem Satz von 14 Erweiterungsanweisungen oder bis zu 128 Bits (theoretisch) verwendet werden. Als Open-Source-Spezifikation können der primäre Befehlssatz und die optionalen Erweiterungen angepasst, entfernt oder vollständig neu geschrieben werden, um eine angepasste oder hochspezifizierte Prozessorarchitektur für die Verwendung in neuen Chips bereitzustellen.

Seit die Entwicklung von RISC-V 2010 (im Par Lab von Berkeley) begann, gründeten die Schöpfer von RISC-V später SiFive, ein Unternehmen für Prozessorkern-IP. Das Unternehmen stellte die allererste vollständig Open-Source-Prozessorkernarchitektur bereit, die auf RISC-V basiert. Die Architektur kann als Basisspezifikation für die Gestaltung einer digitalen Logikarchitektur verwendet werden, die die RISC-V ISA und alle zusätzlichen Benutzerfunktionen implementiert.

Warum auf RISC-V aufbauen?

Der Aufbau eines benutzerdefinierten Anwendungsprozessors auf RISC-V bietet Entwicklern einen ausgezeichneten Weg, um einen neuen Prozessor auf kundenspezifischem Silizium zu bauen oder einen rekonfigurierbaren Prozessor auf einem FPGA zu entwickeln. Die Logikentwicklung mit RISC-V auf einem FPGA bringt dank der Anpassbarkeit und Rekonfigurierbarkeit von FPGA-Plattformen sowie ihrer hohen Rechendichte eigene Vorteile mit sich. Für eingebettete Anwendungen, die mehr als ein RTOS benötigen, können RISC-V-Kerne portiert werden, um Linux-Distributionen zu unterstützen.

RISC-V Prozessoren und IP

RISC-V-Entwickler können das Befehlssatz und seine Hardware-Implementierung auf zwei mögliche Arten nutzen: um benutzerdefinierte Logikdesigns auf einem neuen Chip-Design zu entwickeln oder um spezielle Logik in einem FPGA zu implementieren. Die Industrie beginnt gerade erst, RISC-V als Kernarchitektur für Mikrocontroller-Designs zu nutzen, aber diese Komponenten sind noch nicht im großen Maßstab verfügbar.

Derzeit ist die Palette der kommerziell verfügbaren Prozessoren, die RISC-V unterstützen können, auf FPGAs beschränkt, wo RISC-V mit Anbieter-IP unterstützt wird. Für den Moment ist der Aufbau auf einem FPGA eine ausgezeichnete Option für Systementwickler, sowohl aus einer Prototyping-Perspektive als auch in Bezug auf das Design von kundenspezifischer anwendungsspezifischer Hardware, die stark für rechenintensive Arbeitslasten optimiert ist.

Microchip PolarFire

Die PolarFire-Plattform von Microchip ist die Flaggschiff-RISC-V-basierte FPGA-Plattform des Unternehmens, wo ein Stück fertiger Prozessor direkt aus dem FPGA-Verbindungsstoff gebaut wird. Die PolarFire-Produktlinie umfasst mehrere Komponenten und Teilenummern, die alle auf den niedrigsten Stromverbrauch mit hoher Rechendichte in eingebetteten Anwendungen abzielen. Dieses FPGA-SoC kann stark mit dem Libero SoC Design Suite angepasst werden, und Kern-IP ist für die Nutzung auf der PolarFire-Plattform verfügbar. In Bezug auf die Hardware-Fähigkeiten kann das System 12,7 Gbps Transceiver und PCIe 2 I/O unterstützen.

Efinix Trion und Titanium

Efinix ist ein kleinerer Halbleiteranbieter, aber sie haben RISC-V in ihrer Anbieter-IP mit zwei SoC-Produkten für die Trion- und Titanium-Produkte übernommen.

Sapphire SoC - Diese RISC-V-Implementierung ist eine benutzerkonfigurierbare Instanziierung mit einem optionalen Speichercontroller (DDR oder HyperRAM) und mehreren Schnittstellen (bis zu 32 GPIOs, 3 I2C-Master, 3 SPI-Master und 3 UARTs), die in den Gerätekern integriert sind.

Edge Vision SoC - Diese Bibliothek ist für eingebettete Vision-Anwendungen gedacht und umfasst Standard-Schnittstellen für Systeme in diesem Anwendungsbereich. Zusätzliche Benutzerfunktionen wie spezialisierte DSP-Blöcke oder Datenmanipulation können mit Entwicklertools zu dieser IP hinzugefügt werden.

Entwicklungsprodukte sind für beide Produktlinien verfügbar, um Benutzern den Einstieg in eine neue Plattform zu erleichtern, wie das Trion T20 MIPI D-PHY/CSI-2 Dev Kit für Vision-Anwendungen.

Xilinx und Bluespec

Bluespec Inc., ein offizieller Entwicklungspartner von Xilinx, unterstützt nun 32-Bit RISC-V Core-Implementierungen auf Xilinx FPGAs. Dieses SoC IP zielt auf Anwendungen ab, die einen einzelnen Prozessorkern benötigen, der Linux auf einem FPGA ausführt. Der RISC-V RV32IMAC SCL unterstützt die RISC-V Basis Integer-Befehle (I), Integer-Multiplikation und -Division (M), Atomare (A) und Komprimierte Befehle (C), Einzel- und Doppelt-Gleitkommaanweisungen (FD). Benutzer können das Bluespec RISC-V 32IM Core IP auf Xilinx FPGAs mit dem Standardset an Entwicklungswerkzeugen in der Vivado IDE implementieren.

Der Vorteil der Verwendung von Hardware eines großen Anbieters wie Xilinx liegt im Umfang der Open-Source-Unterstützung und der verfügbaren Entwicklungsprodukte für den Aufbau einer eingebetteten Anwendung. Das breite Portfolio von Xilinx IP kann zusammen mit der in RSIC-V definierten Kernlogikarchitektur verwendet werden, um eine angepasste Hardwareimplementierung zu erstellen. Als ein Beispiel kann das Freedom E310 Core IP von SiFive auf die Arty A7 Entwicklungsplattform von Digitlent mit der Arduino IDE programmiert werden.

Andere Produkte kommen auf den Markt

Andere Unternehmen haben kürzlich Produktankündigungen bezüglich der Verwendung von RISC-V-Kernen in neuen Halbleiterprodukten gemacht. Diese Produkte sollen etwas näher an Anwendungsprozessoren sein, die immer noch eine gewisse Allzweckprogrammierbarkeit über eine eingebettete Anwendung bieten. Einige der jüngsten Produktankündigungen umfassen:

Renesas Application Specific Standard Products (ASSPs), eine Reihe von RISC-V-basierten Produkten, die allgemeine Verarbeitung mit Anwendungsspezifität verbinden sollen.
Picocom PC802 5G NR SoC, ein anwendungsspezifischer Prozessor für 5G NR Small Cells, der über O-RAN Open Fronthaul eCPRI oder JESD204B mit Radioeinheiten interagiert.
Intel wird nun RISC-V durch seine neue Foundry-Services-Division unterstützen, was fabless Unternehmen ermöglicht, Designs zu erstellen, die mit Intels Siliziumverarbeitungskapazitäten kompatibel sind.
Der kommende RISC-V-basierte AI-Beschleunigerchip von Kneron beabsichtigt, Autonomie zu fahrerlosen Autos zu bringen, indem er Level 1 und 2 ADAS-Systeme unterstützt.

Mehr Ressourcen für die RISC-V-Entwicklung

Chipdesign ist eine anspruchsvolle Disziplin, aber die Verwendung eines Open-Source-Befehlssatzes wie RISC-V als Entwicklungsrahmen ist eine großartige Möglichkeit, die Chiparchitekturentwicklung zu beschleunigen. Die Herausforderung für einen Logikdesigner besteht darin, die logischen Schaltungen zu erstellen, die die im RISC-V-Spezifikation definierten Anweisungen darstellen. Für einen Mikrocontroller oder MPU ist dies eine hohe Anforderung und erfordert viel Erfahrung; es ist nicht etwas, was ein Designer typischerweise allein tun würde.

Bei einem FPGA gibt es jedoch viele RISC-V-Implementierungen, die verwendet werden können, um schnell eine hochgradig erweiterbare Architektur zu erstellen, die benutzerdefinierte Funktionen integriert. Dies ist etwas, woran die Anbieterwerkzeuge und die Open-Source-Gemeinschaft viel Zeit investiert haben, und jetzt gibt es viele RISC-V-Kerne, die in der FPGA-Entwicklung verwendet werden können. Um zu beginnen, werfen Sie einen Blick auf einige dieser GitHub-Repositories:

Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt dessen, was verfügbar ist, es gibt viele weitere Open-Source-Repositories auf GitHub, die mit einer Vielzahl von FPGAs nützlich sind. Zusätzlich haben FPGA-Entwickler, die am ISA aufbauen möchten, die Möglichkeit, am RISC-V Training Partner Program von RISC-V International teilzunehmen. Entwickler können ein tieferes Verständnis für die Vorteile offener Zusammenarbeit erlangen und ihr Wissen über RISC-V erweitern.

Das Tolle an der RISC-V-Architektur ist, dass sie modifiziert und auf dem offenen Markt verkauft werden kann. Fabless-Halbleiter-Startups bieten nun ihre Kern-IP basierend auf dem RISC-V ISA zur Lizenzierung an andere Unternehmen unter einem ähnlichen Geschäftsmodell wie ARM an. Ebenso machen Unternehmen ihre Anbieter-IP für den Kauf und Einsatz in FPGAs von großen Halbleiterherstellern verfügbar. Da diese RISC-V-basierten Komponenten auf den Markt kommen, können wir erwarten, dass sie hohe Spezifitätsniveaus für fortgeschrittene Anwendungen bieten.

Wenn Sie bereit sind, mit der Auswahl Ihres FPGA, programmierbaren SoC und anderer Komponenten für Ihr neues System zu beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart verwenden, um alle fortgeschrittenen Komponenten zu finden, die sie für fortgeschrittene Designs benötigen. Wenn Sie Octoparts Elektronik-Suchmaschine verwenden, haben Sie Zugang zu aktuellen Distributorenpreisdaten, Teilebeständen und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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