RISC-V是什么？如何基于此設(shè)計微控制器

在不斷創(chuàng)新并保護其知識產(chǎn)權(quán) (IP) 的同時，還需兼顧低功耗和低成本，致使設(shè)計人員持續(xù)面臨著壓力。因此，對于移動應(yīng)用處理器的設(shè)計人員而言，RISC-V 開源硬件指令集架構(gòu) (ISA) 值得留意。既然 RISC-V 已成為微控制器的一個選項，嵌入式系統(tǒng)和消費類設(shè)備的設(shè)計人員需要學習如何著手將 RISC-V 整合至自己的設(shè)計。

GroupGets LLC 的 FE310 LoFive-R1 開發(fā)板為此提供了一條捷徑。在介紹 LoFive-R1 之前，本文將介紹 RISC-V 并說明開發(fā)人員應(yīng)考慮使用該架構(gòu)的原因。然后，本文將詳細介紹 LoFive-R1，說明如何著手應(yīng)用開發(fā)以及可用的一些技巧與訣竅。

什么是 RISC-V？

RISC-V 是一個開源硬件指令集架構(gòu)項目，2010 年始于加州大學伯克利分校。構(gòu)建 RISC-V 架構(gòu)的原因很多，包括：

滿足對開源指令集架構(gòu) (ISA) 的需求，以供大學項目學術(shù)研究和學生使用

分享 ISA 開發(fā)設(shè)計專業(yè)知識的途徑

避免向現(xiàn)有芯片公司支付特許權(quán)使用費以節(jié)省成本的方法

保護架構(gòu)（公司 IP）的設(shè)計細節(jié)以保持商業(yè)可行性

就設(shè)計人員而言，RISC-V 是一種專為高速和低功耗而設(shè)計的簡化架構(gòu)。因此，基于 RISC-V 的芯片不僅適用于學術(shù)界，也非常適合商業(yè)應(yīng)用。實際上，RISC-V 基金會備受關(guān)注，目前已吸納約 325 名成員，其中包括 Si-Five、Google、Microchip Technology、NVIDIA 和 Qualcomm 等公司。

為 RISC-V 開發(fā)做出貢獻的公司雖不少，但對于普通開發(fā)人員而言，獲得 RISC-V 實踐經(jīng)驗的最佳方法是找到一款基于 RISC-V 處理器的開發(fā)板。

LoFive FE310 開發(fā)板

GroupGets LLC 的 LoFive-R1 開發(fā)板正是其中之一。

首先，LoFive R1 包含的 RISC-V 處理器最高可在 320 MHz 下運行。該處理器包括 8 KB 的一次性可編程 (OTP) 存儲器、8 KB 的掩膜 ROM、16 KB 的指令緩存和 16 KB 的 SRAM。此外，該處理器還具有三個獨立脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器、SPI、I2C、UART，甚至 QSPI 閃存接口。

其次，該開發(fā)板既可焊接針座，也可直接焊接到載板上用作處理器模塊（由于其邊緣呈圓齒形），無需費時額外采購處理器，從而極大簡化了開發(fā)人員對定制硬件的設(shè)計流程。

再者，該開發(fā)板的板載 QSPI 閃存由 Integrated Silicon Solution Inc . (ISSI) 的 IS25LP128 閃存模塊提供。IS25LP128 閃存模塊容量為 128 Mb（即 16 MB），在四通道輸入 / 輸出模式下 SPI 總線接口速度高達 133 MHz。該 SPI 閃存模塊可用于存儲以確保充足的應(yīng)用程序空間，也可用于存儲應(yīng)用程序日志等運行時數(shù)據(jù)。

另外，該開發(fā)板也可采用 5 V 的工作電壓，通過 MaxLinear 的 SPX3819M5 線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為 3.3 V。該穩(wěn)壓器采用 SOT23-5 封裝，卻可提供高達 500 mA 的電流。該開發(fā)板消耗電流較小，因此可支持其他傳感器和器件，而無需額外添加電源電路。

最后，該開發(fā)板的原理圖和物料清單等所有設(shè)計細節(jié)均可從 github 獲取。這些信息有助于開發(fā)人員理解該開發(fā)板的工作原理，也可用作定制開發(fā)項目的設(shè)計指南。

RISC-V 工具鏈設(shè)置和開發(fā)板編程

開發(fā)人員會發(fā)現(xiàn) RISC-V 可用的工具鏈有多種，具體取決于所選擇的開發(fā)板。需要注意的是，適用于 RISC-V 的 SDK 支持 Windows、macOS 和 Linux。本文將展示用于 Linux 的開發(fā)板設(shè)置方法。

首先，在終端上使用以下命令從 git 中簽出 LoFive Freedom-E SDK：

git clone --recursive https://github.com/mwelling/freedom-e-sdk.git

然后，使用以下命令進入按 SDK 創(chuàng)建的目錄：

cd freedom-e-sdk

該開發(fā)板可用的 SDK 有兩款。第一款稱為“舊版 SDK”，因為版本較舊。請使用新版 SDK，其中包括預(yù)構(gòu)建的工具鏈和用于調(diào)試的 OpenOCD。使用以下命令簽出 SDK：

git checkout lofive-r1

git submodule sync

git submodule update –init –recursive

開發(fā)板編程可通過幾種不同的方式完成。首先，該處理器具有標準 JTAG 信號，可通過 LoFive-R1 擴展連接器獲取該信號。開發(fā)人員可以使用任何支持 JTAG 的編程器，例如 SEGGER 的 J-Link 。若沒有相應(yīng)的編程器，開發(fā)人員也可使用 FTDI 的 FT2232H-56Q Mini MDL 等低成本的 USB 轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器。FT2232H-56Q Mini MDL 模塊可提供連接 LoFive-R1 開發(fā)板所需的所有連接和分線。SDK 可使用 FT2232H-56Q 的通用 I/O 來構(gòu)建必要的 JTAG 連接，實現(xiàn)對微控制器的編程。

LoFive-R1 開發(fā)板與 FT2232H-56Q 模塊之間需要九個不同的連接（表 1）。

表 1：LoFive-R1 開發(fā)板與 FT2232H-56Q 模塊的連接簡表。

上述連接可以總結(jié)為：

電源和接地

JTAG 信號

UART 信號

連接可以采用直連法，也可使用 Global Specialties 的 PB-83M 等試驗板來完成。該試驗板的香蕉插孔可用于連接兩個電壓源和接地，以簡化原型開發(fā)。

首次使用 LoFive-R1 時，建議先安裝板載引導程序。引導程序只需安裝一次，后續(xù)即可輕松升級。通過執(zhí)行以下命令，即可從 SDK 中加載引導程序：

make PROGRAM=lofive-boot TARGET=lofive-r1-bootloader upload

然后，使用以下命令將 "hello world" 應(yīng)用程序加載到開發(fā)板：

make PROGRAM=sifive-welcome TARGET=lofive-r1 upload

至此，開發(fā)人員就已完成了首個 RISC-V 應(yīng)用程序編寫，此后的擴展則具有無限可能。

RISC-V 的使用技巧與訣竅

RISC-V 處理器入門與標準微控制器生態(tài)系統(tǒng)有所不同。 以下是幾點“技巧與訣竅”：

簽出 LoFive-R1 SDK 后，花時間查看主目錄下的 README.md 文件。其中包含了在何處能找到 SDK 說明文檔、板級支持包及其他有用信息。

若有 SEGGER 的 J-Link 等專業(yè)調(diào)試探測器，即可用于 RISC-V 處理器的應(yīng)用程序編程。自 2017 年以來，J-Link 一直支持 RISC-V。
如果開發(fā)人員偏好使用 IDE 而非命令行工具，可以考慮使用 Freedom Studio（基于 Eclipse 的 IDE）進行 RISC-V 開發(fā)。
首次使用 RISC-V 時，只需遵循這些“技巧與訣竅”，開發(fā)人員即可節(jié)省大量時間和精力。

總結(jié)

對于希望使用開源硬件架構(gòu)的開發(fā)人員而言，RISC-V 架構(gòu)值得留意。目前，市面上已有基于 RISC-V 處理器的開發(fā)板，如本文所述，工具鏈設(shè)置難度與任何其他標準微控制器差別不大。

RISC-V 雖令人著迷，但是請別忘記，其生態(tài)系統(tǒng)對比現(xiàn)有的許多微控制器平臺相對貧乏，因此開發(fā)人員選擇深入探索 RISC-V 后，就會發(fā)現(xiàn)可用的選擇和資源很少。權(quán)衡取舍不失為良策，具體取決于最終應(yīng)用以及開發(fā)人員的偏好和資源。

審核編輯 黃昊宇