進入 32 位時代，誰能成為下一個8051?

繼上文介紹了CPU和ARM體系，本文將介紹重中之重--RISC-V。

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東邊日出西邊雨，道是無晴卻有晴——RISC-V 登場

RISC-V架構主要由美國加州大學伯克利分校（簡稱伯克利）的Krste Asanovic教授、Andrew Waterman和Yunsup Lee等開發人員于2010年發明，并且得到了計算機體系結構領域的泰斗David Patterson的大力支持。伯克利的開發人員之所以發明一套新的指令集架構，而不是使用成熟的x86或者ARM架構，是因為這些架構經過多年的發展變得極為復雜和冗繁，并且存在著高昂的專利和架構授權問題。并且修改ARM處理器的RTL代碼是不被支持的，而x86處理器的源代碼根本不可能獲得到。其他的開源架構（譬如SPARC、OpenRISC）均有著或多或少的問題（第2章將詳細論述）。有感于計算機體系結構和指令集架構已經過數十年的發展非常成熟，但是像伯克利這樣的研究機構竟然“無米下鍋”（選擇不出合適的指令集架構供其使用）。伯克利的教授與研發人員決定發明一種全新的、簡單且開放免費的指令集架構，于是RISC-V架構誕生了。

有關RISC-V的誕生，有興趣的讀者可以自行到網絡中查閱文章《伯克利希望將RISC-V開源架構推向主流》。RISC-V（英文讀作“risk-five”），是一種全新的指令集架構。“V”包含兩層意思，一是這是Berkeley從RISC I開始設計的第五代指令集架構；二是它代表了變化（Va r i a t i o n）和向量（Vectors）。

經過幾年的開發，伯克利為RISC-V架構開發出了完整的軟件工具鏈以及若干開源的處理器實例，得到越來越多的人的關注。2016年，RISC-V基金會（Foundation）正式成立開始運作。RISC-V基金會是一個非營利性組織，負責維護標準的RISC-V指令集手冊與架構文檔，并推動RISC-V架構的發展。

RISC-V架構的目標如下。成為一種完全開放的指令集，可以被任何學術機構或商業組織所自由使用。

成為一種真正適合硬件實現且穩定的標準指令集。

RISC-V基金會負責維護標準的RISC-V架構文檔和編譯器等CPU所需的軟件工具鏈，任何組織和個人可以隨時在RISC-V基金會網站上免費下載（無須注冊）。RISC-V的推出以及基金會的成立，受到了學術界與工業界的巨大歡迎。著名的科技行業分析公司Linley Group 將RISC-V評為“2016年最佳技術”，如圖1-9所示。

圖1-9? RISC-V架構標志圖

開放而免費的RISC-V架構誕生，不僅對于高校與研究機構是個好消息，為前期資金缺乏的創業公司、成本極其敏感的產品、對現有軟件生態依賴不大的領域，都提供了另外一種選擇，而且得到了業界主要科技公司的擁戴，包括谷歌、惠普、Oracle和西部數據等硅谷巨頭都是RISC-V基金會的創始會員，如圖1-10所示。眾多的芯片公司已經開始使用（譬如，三星、英偉達等）或者計劃使用RISC-V開發其自有的處理器用于其產品。

圖1-10 RISC-V基金會創始會員，鉑金、金、銀級會員圖譜

RISC-V基金會組織每年舉行兩次公開的專題討論會（Wo r k s h o p），以促進RISC-V陣營的交流與發展，任何組織和個人均可以從RISC-V基金會的網站上下載到每次Workshop上演示的PPT與文檔。RISC-V第六次Workshop于2017年5月在中國的上海交通大學舉辦，如圖1-11所示，吸引了大批的中國公司和愛好者參與。

圖1-11? 上海交通大學舉辦的RISC-V第六次Workshop

圖1-12? 經典教材計算機組成與設計最新版本

本節雖然陳述了若干RISC-V蓬勃發展的具體案例，但是由于RISC-V陣營正在快速地向前發展，可能在本書成書時，RISC-V陣營又誕生了更加令人欣喜的案例，請讀者自行查閱互聯網更新見聞。

RISC-V 和其他開放架構有何不同

如果僅從“免費”或“開放”這兩點來評判，RISC-V架構并不是第一個做到免費或開放的處理器架構。

下面將通過論述幾個具有代表性的開放架構，來分析RISC-V架構的不同之處以及為什么其他開放架構沒能取得足夠的成功。

1.4.1? “平民英雄”—OpenRISC

OpenRISC是OpenCores組織提供的基于GPL協議的開放源代碼RISC處理器，它具有以下特點。

采用免費開放的32/64位 RISC架構。?用Verilog HDL（硬件描述語言）實現了基于該架構的處理器源代碼。

具有完整的工具鏈。

OpenRISC被應用到很多公司的項目中，可以說，OpenRISC是應用非常廣泛的一種開源處理器實現。

OpenRISC的不足之處在于其側重實現一種開源的CPU Core，而非立足于定義一種開放的指令集架構，因此其架構的發展不夠完整。指令集的定義也不具備RISC-V架構的優點，更沒有上升到成立專門的基金會組織的高度。OpenRISC更多被認為是一個開源的處理器核，而非一種優美的指令集架構。此外，OpenRISC的許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動都必須開源（而RISC-V則無此約束）。

1.4.2? “豪門顯貴”—SPARC

SPARC架構作為經典的RISC微處理器架構之一，于1985年由Sun公司所設計。SPARC也是SPARC國際公司的注冊商標之一，SPARC公司于1989年成立，目的是向外界推廣SPARC架構以及為該架構進行兼容性測試。該公司為了推廣SPARC的生態系統，將標準開放，并授權予多家生產商使用，包括德州儀器、Cypress半導體和富士通等。由于SPARC架構也對外完全開放，因此也出現了完全開放源碼的LEON處理器（見第1.1.4節的介紹）。不僅如此，Sun公司還于1994年推動SPARC v8架構成為IEEE標準（IEEE Standard 1754-1994）。

由于SPARC架構的初衷是面向服務器領域，其最大的特點是擁有一個大型的寄存器窗口，符合SPARC架構的處理器需要實現從72到640個之多的通用寄存器，每個寄存器寬度為64bit，組成一系列的寄存器組，稱為寄存器窗口。這種寄存器窗口的架構，由于可以切換不同的寄存器組快速地響應函數調用與返回，因此能夠產生非常高的性能，但是這種架構功耗面積代價太大，而并不適用于PC與嵌入式領域處理器。而SPARC架構也不具備模塊化的特點，使用戶無法裁剪和選擇，很難作為一種通用的處理器架構對商用的x86和ARM架構形成替代。設計這種超大服務器CPU芯片又非普通公司與個人所能完成，而有能力設計這種大型CPU的公司也沒有必要投入巨大的成本來挑戰x86的統治地位。隨著Sun公司的衰弱，SPARC架構現在基本上退出了人們的視野。

1.4.3 “名校優生”——RISC-V

有興趣的讀者可以自行到網絡中查閱文章《RISC-V登場，Intel和ARM會怕嗎》《直指移動芯片市場，開源的處理器指令集架構發布》和《三星開發RISC-V架構自主CPU內核》。

結語：進入 32 位時代，誰能成為深嵌入式領域的下一個 8051？

本文系統地論述了CPU的基本知識，也簡述了ARM的如何強大以及開放RISC-V架構的誕生。一言以蔽之，開放而免費RISC-V架構使得任何公司與個人均可受用，極大地降低了CPU設計的準入門檻。有了RISC-V架構，CPU將不再是“權貴的游戲”，有道是：“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”—每個公司和個人都可以依照RISC-V標準設計自己的處理器。

原本“學霸”ARM Cortex-M將毫無疑問地成為8051的接班人而掌管深嵌入式領域的32位時代。但是不期而至的新生RISC-V卻自帶光環，讓這場游戲出現了一絲變數。

前文中總結了傳奇“老炮兒”8051的先進事跡，分析了它的幾個成功因素。在此，我們將其歸納為表格，并且將ARM Cortex-M與RISC-V進行橫向對比，如表1-5所示。

表1-5 ARM Cortex-M和RISC-V對比8051的成功因素

對于軟件的依賴相對比較低。并且，雖然RISC-V資歷非常淺，但是其架構在開放至今很短的時間內取得了令人驚異的發展速度，越來越多的公司和項目開始采用RISC-V架構的處理器，相信RISC-V的軟件生態也會逐步壯大起來。

從另一方面來說，ARM作為商業架構下的處理器IP，具有如下缺點：不能夠進行差異化定制，不具備可擴展性，受私有知識產權保護，指令集架構需要支付商業授權費用等。這些缺點在開放的RISC-V架構中都不存在，可謂是后生可畏。

《RISC-V架構與嵌入式開發快速入門》

胡振波?著

本書是一本介紹RISC-V架構嵌入式開發的入門書籍，以通俗的語言系統介紹了嵌入式開發的基礎知識和RISC-V架構的內容，力求幫助讀者快速掌握RISC-V架構的嵌入式開發技術。

本文轉載自異步社區。

編譯構建 CloudBuild

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