基于RISC-V架構的開源處理器及SoC研究綜述（三）

3 基于RISC-V的開源SoC研究現狀

3.1 Rocket-Chip

  UCB為了友善使用者學習，同時也為了便于重複使用已設計好的硬體子產品，在GitHub上建立了Rocket-Chip Generator的項目，其中包括了Chisel、GCC、Rocket處理器，以及圍繞Rocket的一系列總線單元、外設、緩存等，并且采用了參數化的配置方法，進而可以友善的建立不同性能要求的基于Rocket處理器的SoC。采用Chisel編寫，主要的子子產品如下。

•  Chisel：UCB設計的開源硬體程式設計語言。
•  Hardfloat：參數可配置的、相容IEEE 754-2008标準的浮點單元。
•  Riscv-tools：開發工具，包括GCC、Newlib，以及移植的Linux。
•  Rocket：Rocket處理器，包括L1 Cache。
•  Uncore：實作了需要與Rocket緊密連接配接的功能單元，比如L2 Cache、L1 Coherence Hub等。
•  Juntions：實作了不同協定的接口之間的轉換。
•  Rocketchip：頂層子產品，同時也實作了内部總線TileLink向外部總線AXI或者AHB的轉換。

  前文介紹的BOOM、Z-scale都可以通過配置Rocket-Chip的不同參數得到。

3.2 LowRISC

  LowRISC是由劍橋大學為主的一些研發人員成立的非營利性組織，主要是設計釋出基于RISC-V指令集的64位開源SoC，其成員有樹莓派的合作者，是以其目标是希望将設計的SoC做成類似于樹莓派那樣價格便宜、功能豐富、擁有大量使用者的開源硬體。LowRISC釋出的SoC的名稱也是LowRISC，是在Rocket-Chip的基礎上改進開發的，采用System Verilog編寫改進部分的代碼。主要特點是：

  （1）Tagged Memory：給每一個存儲位置都增加了一個Tag，目前是雙字（64bit）對應一個Tag（4bit），目的是防止控制流劫持攻擊，同時也有其他的一些用處，比如：垃圾回收、設定watchpoint等。為了實作Tagged Memory，LowRISC為RISC-V增加了兩條指令用來讀寫Tag。2015年4月釋出的0.1版本中具有該功能。

  （2）Untethered：早期的Rocket-Chip需要依賴于一個通用處理器的協助才能夠啟動，才能夠通路序列槽、網口、SD卡等外設，Untethered LowRISC通過實作（Memory mapping I/O）、片上NASTI interconnect等功能，解決了上述問題。2015年11月釋出的0.2版本中具有該功能。

  （3）Trace Debugging：引入了Open SoC Debug，支援Trace Debugging，可以收集指令執行記錄，便于離線或者線上分析。2016年7月釋出的0.3版本中具有該功能。

3.3 PULPino

  PULPino是蘇黎世聯邦理工大學和波羅尼亞大學聯合釋出的基于RISC-V的開源處理器，其處理器核RI5CY在前文已述，蘇黎世聯邦理工大學和波羅尼亞大學本來設計的項目是PULP，這是一個多核SoC項目，考慮到這個項目太複雜，有許多IP、自定義工具集，不友善開源，是以開發者決定先開源一個單核SoC項目，即PULPino。PULPino直接使用了PULP項目的許多IP。

  PULPino具有一個AXI互連總線，另外還有一個APB總線，用來連接配接低速外設，比如：GPIO、UART、I2C控制器、SPI Master控制器等。調試子產品支援Advanced Debug Unit。PULPino包括一個Boot ROM，其中可以寫入BootLoader，進而實作在啟動的時候從外部Flash讀入程式并執行。

3.4 RISC-V VHDL

  RISC-V VHDL是俄羅斯的GNSS Sensor公司釋出的基于Rocket的開源SoC，其前身是莫斯科實體技術學院的一個項目。該項目的處理器核直接就用的是Rocket，可以配置為隻有L1Cache，也可以配置為包括L2Cache，在此基礎上，提供了大量的IP核，采用類似LEON3的GRLIB庫的方式，所有的IP核都是即插即用，RISC-V VHDL提供了一個AXI總線，IP核都挂載在該總線上。IP核包括：UART、GPIO、中斷控制器、以太網控制器，此外還支援DSU（Debug Support Unit），均采用VHDL編寫代碼。

  RISC-V VHDL中大多數IP核都是開源的，唯一商業的是GNSSLIB，這是一個與定位導航有關的庫，也是RISC-V VHDL的特色。

結語

  RISC-V的發展十分迅速，除了前文已述的基于RISC-V的開源處理器、開源SoC大量湧現，還有很多的商用處理器也計劃采用RISC-V指令集架構，比如PulSAR[8]，采用的是一個異構多處理器結構，其中包括2個标量處理器Rocket，還包括兩個超标量亂序執行處理器BOOM。

  RISC-V的發展一方面得益于自身設計吸取了RISC接近40年的經驗教訓，使得架構設計更加合理，另一方面得益于日漸成熟的軟體生态，UCB提供了針對RISC-V的開源編譯器GCC、LLVM，還提供了開源仿真器Spike、QEMU，社群還移植了FreeBSD、Debian、Gentoo、Yocto、Genode等作業系統。

  在第4屆RISC-V專題研讨會上宣布成立了RISC-V基金會，吸納了衆多實力雄厚的商業公司和知名研究機構，其中包括中國科學院，可以預見RISC-V即将進入一個快速發展的階段，應該會在以下幾個方面有突破進展。

  （1）有若幹成熟的、可商業化的、采用RISC-V架構的晶片問世，并得到大規模應用。

  （2）性能逼近主流桌面處理器。

  （3）主流處理器與采用RISC-V架構的開源處理器組成的異構系統。

  （4）移植到RISC-V架構的作業系統更加穩定可靠。

  （5）采用上百個簡單RISC-V核的多核并行計算。

  （6）計算機教學中采用RISC-V作為範例教學。

  （7）調試功能得到進一步加強。

  對于國内而言，RISC-V提供了一個很好的參考，也是一個很好地機遇，有很多可借鑒的地方，用來實作自主可控的處理器。

參考文獻

[1]Waterman, A. et al. The RISC-V Instruction Set Manual, Volume I: User-Level ISA, Version 2.1[S], 2016

[2]Krste Asanovic, David Patterson, The Case for Open Instruction Sets[J], MICROPROCESSOR report, 2014, 8: 1-7 .

[3]Celio, Christopher and Patterson, David A. and Asanović, Krste, The Berkeley Out-of-Order Machine (BOOM): An Industry-Competitive, Synthesizable, Parameterized RISC-V Processor[R], EECS Department, University of California, Berkeley, June 2015.

[4]N. Gala, A. Menon, R. Bodduna, G. S. Madhusudan, V. Kamakoti, SHAKTI Processors: An Open-Source Hardware Initiative[C], 29th International Conference on VLSI Design and 2016 15th International Conference on Embedded Systems (VLSID), Kolkata, India, January, 2016

[5]PULPino User Manul[EB/OL], http://www.pulp-platform.org/documentation/, 2016-8

[6]Michael Zimmer, David Broman, Chris Shaver, Edward A. Lee, FlexPRET: A Processor Platform for Mixed-Criticality Systems[C], Proceedings of the 20th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Application Symposium (RTAS), April, 2014.

[7]PEYRET Thomas, VENTROUX Nicolas, OLIVIER Thomas, HETEROGENEOUS MULTICORE BASED ON RISC-V PROCESSORS AND FD-SOI SILICON PLATFORM[C], 4th RISC-V Workshop Proceedings, July, 2016.