Bộ xử lý RISC-V và SoC cho Hệ thống Nhúng

Created: Tháng Tám 3, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Mỗi vi xử lý được xây dựng dựa trên một bộ lệnh kiến trúc (ISA), định nghĩa các chức năng cấp cao được sử dụng để thực hiện các hoạt động tính toán với dữ liệu số. ISA là một trong những thành phần cốt lõi của CPU, định nghĩa cách phần mềm sẽ giao tiếp với phần cứng. Nó cơ bản định nghĩa các lệnh theo cách mà máy móc có thể hiểu và thường bao gồm các lệnh cho các hoạt động bộ nhớ, xử lý dữ liệu, các phép toán số học, các phép toán logic và các hoạt động điều khiển luồng. ISA cũng định nghĩa cách các lệnh được lưu trữ, mã hóa và truy cập.

Các ISA thống trị trong hai thập kỷ qua là x86, x64 và ARM, tất cả đều đã thúc đẩy việc áp dụng máy tính cá nhân và tính toán nhúng lên mức chúng ta thấy ngày nay. Trong khi ARM là một trong những kiến trúc xử lý được sử dụng nhiều nhất, một đối thủ mã nguồn mở mới đang được ngành công nghiệp bán dẫn chấp nhận. Kiến trúc thay thế này là RISC-V (phát âm là “risk five”), và nó đã được cộng đồng mã nguồn mở và các nhà cung cấp bán dẫn chấp nhận như một lựa chọn thay thế cho kiến trúc ARM và x86/x64.

Trong khi chúng ta không mong đợi kiến trúc x86/x64 của Intel hay ARM sẽ biến mất trong thời gian sắp tới, RISC-V cung cấp một lựa chọn thay thế mã nguồn mở hấp dẫn. Bây giờ một số nhà cung cấp bán dẫn đang hỗ trợ triển khai RISC-V trong FPGA của họ, và cộng đồng mã nguồn mở đã phản hồi với một làn sóng IP và thư viện của nhà cung cấp để giúp đẩy nhanh quá trình phát triển. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số sản phẩm dựa trên RISC-V mới nhất được các nhà cung cấp bán dẫn tung ra thị trường.

RISC-V là gì?

ISA RISC-V là một ISA mã nguồn mở có thể được sử dụng để định nghĩa các thao tác số liệu cấp thấp cốt lõi được triển khai trong một lõi vi xử lý. Đặc tả sử dụng một bộ 49 lệnh tương thích với các triển khai phần cứng 32-bit. Độ rộng từ có thể được sử dụng ở 64 bit với một bộ 14 lệnh mở rộng, hoặc lên đến 128 bit (theo lý thuyết). Là một đặc tả mã nguồn mở, bộ lệnh chính và các mở rộng tùy chọn có thể được tùy chỉnh, loại bỏ hoặc viết lại hoàn toàn để cung cấp một kiến trúc bộ xử lý tùy chỉnh hoặc có đặc tả cao cho việc sử dụng trong các chip mới.

Kể từ khi phát triển RISC-V bắt đầu vào năm 2010 (tại Par Lab của Berkeley), các nhà sáng tạo của RISC-V đã tiếp tục thành lập SiFive, một công ty IP lõi bộ xử lý. Công ty đã cung cấp kiến trúc lõi bộ xử lý mã nguồn mở hoàn toàn đầu tiên được xây dựng dựa trên RISC-V. Kiến trúc này có thể được sử dụng làm đặc tả cơ sở để thiết kế một kiến trúc logic số thực hiện ISA RISC-V và bất kỳ chức năng người dùng bổ sung nào.

Tại sao lại Xây dựng trên RISC-V?

Xây dựng một bộ xử lý ứng dụng tùy chỉnh trên RISC-V mang lại cho các nhà phát triển một con đường tuyệt vời để xây dựng một bộ xử lý mới trên silicon tùy chỉnh, hoặc xây dựng một bộ xử lý có thể cấu hình lại trên FPGA. Phát triển logic với RISC-V trên FPGA mang lại những lợi ích riêng nhờ vào khả năng tùy chỉnh và cấu hình lại của các nền tảng FPGA, cũng như mật độ tính toán cao của chúng. Đối với các ứng dụng nhúng cần nhiều hơn một RTOS, các lõi RISC-V có thể được chuyển đổi để hỗ trợ các bản phân phối Linux.

Bộ xử lý RISC-V và IP

Các nhà phát triển RISC-V có thể sử dụng bộ lệnh và triển khai phần cứng của nó theo hai cách có thể: để phát triển các thiết kế logic tùy chỉnh trên một thiết kế chip mới, hoặc để triển khai logic chuyên biệt trong một FPGA. Ngành công nghiệp mới chỉ bắt đầu sử dụng RISC-V làm kiến trúc cốt lõi cho các thiết kế vi điều khiển, nhưng những thành phần này chưa có sẵn ở quy mô lớn.

Hiện tại, phạm vi các bộ xử lý có sẵn trên thị trường có thể hỗ trợ RISC-V giới hạn ở FPGA, nơi RISC-V được hỗ trợ với IP của nhà cung cấp. Trong thời gian này, xây dựng trên FPGA là một lựa chọn xuất sắc cho các nhà phát triển hệ thống, cả từ góc độ nguyên mẫu và về mặt thiết kế phần cứng ứng dụng cụ thể tùy chỉnh được tối ưu hóa mạnh mẽ cho các tải công việc tính toán nặng.

Microchip PolarFire

Nền tảng PolarFire từ Microchip là nền tảng FPGA dựa trên RISC-V hàng đầu của công ty, nơi một bộ xử lý sẵn có được xây dựng trực tiếp từ vải nối FPGA. Dòng sản phẩm PolarFire bao gồm nhiều thành phần và số phần, tất cả đều nhằm mục tiêu tiêu thụ điện năng thấp nhất với mật độ tính toán cao trong các ứng dụng nhúng. FPGA SoC này có thể được tùy chỉnh mạnh mẽ sử dụng Libero SoC Design Suite, và IP cốt lõi có sẵn để sử dụng trong nền tảng PolarFire. Về khả năng phần cứng, hệ thống có thể hỗ trợ bộ thu phát 12.7 Gbps và PCIe 2 I/O.

Efinix Trion và Titanium

Efinix là một nhà cung cấp bán dẫn nhỏ hơn, nhưng họ đã chấp nhận RISC-V trong IP của nhà cung cấp với hai sản phẩm SoC cho các sản phẩm Trion và Titanium.

Sapphire SoC - Triển khai RISC-V này là một thực thể có thể cấu hình bởi người dùng với một bộ điều khiển bộ nhớ tùy chọn (DDR hoặc HyperRAM) và nhiều giao diện (lên đến 32 GPIO, 3 I2C master, 3 SPI master và 3 UART) được tích hợp vào lõi thiết bị.

Edge Vision SoC - Thư viện này dành cho các ứng dụng nhìn máy tính nhúng và bao gồm các giao diện tiêu chuẩn cho các hệ thống trong lĩnh vực ứng dụng này. Các chức năng do người dùng thêm vào như các khối DSP chuyên biệt hoặc thao tác dữ liệu có thể được thêm vào IP này với các công cụ phát triển.

Các sản phẩm phát triển có sẵn cho cả hai dòng sản phẩm để giúp người dùng bắt đầu với một nền tảng mới, chẳng hạn như Trion T20 MIPI D-PHY/CSI-2 Dev Kit cho các ứng dụng nhìn máy tính.

Xilinx và Bluespec

Bluespec Inc., một đối tác phát triển chính thức cho Xilinx, hiện hỗ trợ triển khai lõi RISC-V 32-bit trên FPGA của Xilinx. SoC IP này nhắm đến các ứng dụng cần một lõi bộ xử lý đơn chạy Linux trên FPGA. RISC-V RV32IMAC SCL hỗ trợ các lệnh cơ bản Integer của RISC-V (I), Nhân và Chia số nguyên (M), Atomic (A), và các lệnh nén (C), lệnh dấu phẩy động đơn và kép (FD). Người dùng có thể triển khai Bluespec RISC-V 32IM core IP trên FPGA của Xilinx sử dụng bộ công cụ phát triển tiêu chuẩn trong Vivado IDE.

Lợi ích của việc sử dụng phần cứng từ nhà cung cấp lớn như Xilinx là mức độ hỗ trợ mã nguồn mở và các sản phẩm phát triển có sẵn để xây dựng ứng dụng nhúng. Bộ sưu tập IP rộng lớn của Xilinx có thể được sử dụng cùng với kiến trúc logic cốt lõi được định nghĩa trong RSIC-V để xây dựng một triển khai phần cứng tùy chỉnh. Ví dụ, core IP Freedom E310 từ SiFive có thể được lập trình vào nền tảng phát triển Arty A7 từ Digitlent sử dụng Arduino IDE.

Sản Phẩm Khác Ra Mắt Thị Trường

Các công ty khác đã công bố sản phẩm gần đây về việc sử dụng lõi RISC-V trong các sản phẩm bán dẫn mới. Những sản phẩm này được dự định là gần với bộ xử lý ứng dụng vẫn cung cấp một số khả năng lập trình chung thông qua ứng dụng nhúng. Một số thông báo sản phẩm gần đây bao gồm:

Renesas Application Specific Standard Products (ASSPs), một dòng sản phẩm dựa trên RISC-V nhằm mục đích kết hợp xử lý chung với tính cụ thể của ứng dụng.
Picocom PC802 5G NR SoC, một bộ xử lý cụ thể cho ứng dụng cho các tế bào nhỏ 5G NR giao tiếp với các đơn vị radio qua O-RAN Open Fronthaul eCPRI hoặc JESD204B.
Intel giờ đây sẽ hỗ trợ RISC-V thông qua bộ phận dịch vụ nhà máy mới của mình, cho phép các công ty không có nhà máy sản xuất tạo ra các thiết kế tương thích với khả năng xử lý silicon của Intel.
Chip tăng tốc AI dựa trên RISC-V sắp tới của Kneron nhằm mang lại sự tự chủ cho xe tự lái bằng cách hỗ trợ hệ thống ADAS cấp 1 và 2 ADAS systems.

Nhiều Tài Nguyên Hơn cho Phát Triển RISC-V

Thiết kế chip là một lĩnh vực khó khăn, nhưng sử dụng một bộ lệnh mã nguồn mở như RISC-V làm khung phát triển là một cách tuyệt vời để tăng tốc thiết kế kiến trúc chip. Thách thức đối với một nhà thiết kế logic là tạo ra các mạch logic đại diện cho các lệnh được định nghĩa trong thông số kỹ thuật RISC-V. Đối với một vi điều khiển hoặc MPU, đây là một nhiệm vụ khó khăn và đòi hỏi nhiều kinh nghiệm; đây không phải là điều mà một nhà thiết kế thường làm một mình.

Tuy nhiên, đối với FPGA, có nhiều triển khai RISC-V có thể được sử dụng để nhanh chóng xây dựng một kiến trúc có khả năng mở rộng cao, tích hợp các chức năng do người dùng tùy chỉnh. Đây là điều mà các công cụ của nhà cung cấp và cộng đồng mã nguồn mở đã dành nhiều thời gian để xây dựng, và bây giờ có nhiều lõi RISC-V có thể được sử dụng trong phát triển FPGA. Để bắt đầu, hãy xem một số kho lưu trữ GitHub này:

Đây chỉ là một phần nhỏ của những gì có sẵn, có nhiều kho lưu trữ mã nguồn mở khác bạn sẽ tìm thấy trên GitHub hữu ích với nhiều loại FPGA. Ngoài ra, đối với bất kỳ nhà phát triển FPGA nào quan tâm đến việc xây dựng trên ISA, RISC-V International đã ra mắt Chương trình Đối tác Đào tạo RISC-V. Các nhà phát triển có thể hiểu rõ hơn về lợi ích của sự hợp tác mở và mở rộng kiến thức về RISC-V.

Phần tuyệt vời của kiến trúc RISC-V là nó có thể được chỉnh sửa và bán trên thị trường mở. Các startup bán dẫn không có nhà máy giờ đây đang cung cấp IP cốt lõi của họ dựa trên ISA RISC-V để cấp phép cho các công ty khác theo mô hình kinh doanh tương tự như ARM. Tương tự, các công ty đang làm cho IP của nhà cung cấp của họ có sẵn để mua và sử dụng trong FPGA từ các nhà sản xuất bán dẫn lớn. Khi các thành phần dựa trên RISC-V này ra mắt thị trường, chúng ta có thể mong đợi chúng cung cấp mức độ chuyên biệt cao cho các ứng dụng tiên tiến.

Khi bạn sẵn sàng bắt đầu lựa chọn FPGA, SoC có thể lập trình và các thành phần khác cho hệ thống mới của mình, hãy chắc chắn sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trong Octopart để tìm tất cả các thành phần tiên tiến họ cần cho các thiết kế tiên tiến. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.