RISC－V + FPGA 即开即用的全新设计解决方案来了

图源：Mouser

小型、低功耗、高性能SoC FPGA适用于许多物联网应用。

RISC-V指令集的出现为设计工程师奠定了坚实的基础，可以利用FPGA进行具有处理器内核以及标准或自定义扩展的系统设计。零成本RISC-V是一个既开放又可冻结的指令集，即使不断演进，也能支持处理器继续有效工作。换言之，这种RISC-V处理器是一种零风险选择。

RISC-V的应用领域

基于RISC-V的处理器被用于成像和传感器接口、军事和航空航天、物联网（IoT）、汽车和铁路运输以及工业控制等应用。RISC-V设计可提供多种应用所需的高数据吞吐量，这些应用包括智能嵌入式视觉、混合动力和电动汽车、无线通信基础设施以及机器人技术。实时操作系统（包括Linux）的易用性有助于实现稳健的控制系统设计。

对于实现基于RISC-V处理器的设计来说，FPGA可能是一个很好的选择。工程师可选择使用FPGA结构实现的软核处理器，也可选择在制造过程中通过物理方法以芯片结构实现的硬核CPU。软内核可以提高设计可重用性并降低过时风险，而硬内核则是性能冠军。

FPGA非常适合实现对于通用CPU来说非常复杂或耗时的运算。例如，块密码和加密功能由CPU使用大量循环执行，所需时间比用于IP核的专用FPGA结构要长得多。

下一步方向

Microchip有两个PolarFire^®系列（以及一种耐辐射类型）采用RISC-V处理。两个系列都提供适合RISC-V实现的处理器选项。所有器件都是非易失性产品，即开即用。它们有四到二十四个经过优化的12.7Gbit/s收发器，据说需要的功率是竞争产品的1/2，另外还有DDR4和1.6Gbit/s LVDS接口。这些芯片为安全关键型设计和许多安全性功能提供了系统控制器挂起模式。

PolarFire^®MPFxxxT FPGA提供50k、100k、200k、300k和500k逻辑元件（LE）版本，并可选配Mi-V RISC-V软核处理器。基础CPU核心最多使用约10k LE。这些芯片的集成硬IP包括一个双工PCIe端点/根端口、PLL、DLL、一个18 x 18 MACC预加法器和一个加密处理器。

可用应用程序特定扩展达100多种，例如有限冲激响应（FIR）滤波器、CRC32（32位循环冗余校验）和3DES（三重数据加密标准）算法等。将这些扩展添加到RISC-V内核中，可以显著提升这些功能的性能，同时能够节省大量功耗。

图1：PolarFire^®SoC的16 x 16mm封装版本。
（图源：Microchip）

硬核PolarFire^®SoC（片上系统）版本（图1）具有五个CPU内核（四个处理器内核和一个监视器内核），均为RV64的64位实现。它们具有从25k到460k LE的五个版本（见表1）。这是第一款具有确定性、一致性RISC-V CPU集群和确定性二级内存子系统的片上系统（SoC）FPGA，并支持Linux和实时应用。

PolarFire^®采用先进的28纳米非易失性工艺，功耗约为其他FPGA系列的一半。PolarFire^®RISC-V CPU微架构实现采用简单的五级、单指令、顺序流水线，不受标准乱序执行机器中存在的熔毁（Meltdown）和幽灵（Specter）攻击的影响。所有五个CPU内核都与存储器子系统一致，允许在单个多核CPU集群中实现确定性实时系统和Linux的多项功能组合（图2）。

表1：功能强大的五核PolarFire^®SoC FPGA有五个版本，封装尺寸为11到35平方毫米。
（来源：Microchip）

这些处理器对基于网络的安全攻击具有免疫力，而这在其他内核/ISA中并不容易获得，在涉及物联网应用时尤其如此。RISC-V不是仅仅依赖于分区和通信安全性，还具有其他与众不同的特性，其中包括计算安全性，以阻止缓冲区溢出，并保护处理器免受通过网络发起并利用代码漏洞的网络攻击破坏。

PolarFire^®技术的功耗（在许多情况下）比竞品FPGA低50%，因此可将风扇从系统中移除，或可用于难散热的小型环境。

图2：PolarFire^®SoC系统架构。（图源：Microchip）

实时Linux

实时操作系统可以简要概括为周期性的执行时间确定性任务。实时Linux操作系统需要内存管理单元（MMU）进行物理内存的虚拟化，从而无需使用分支预测。PolarFire^®SoC对这两项需求都可提供支持。

芯片的四个RV64GC内核可以运行Linux，而RV64IMAC监视器内核则不能。二级内存子系统大小为2兆字节，具有纠错功能，并且能够配置为三种模式：16路组关联高速缓存、松散集成的内存（LIM）和暂存器。LIM可以按128KB的区块构建并分配给处理器独占访问。

开发工具

Libero^®SoC Design Suite v12是一款易于学习和采用的开发工具，便于使用PolarFire^®进行设计。该套件集成了行业标准的Synopsys Synplify Pro^®合成和Siemens ModelSim^® 仿真，具有出色的约束管理、编程和调试功能，以及安全的生产编程支持。MSS Configurator用于配置PolarFire^®SoC CPU子系统，可配置MSS时钟、交换接口、I/O插槽、DDR存储器和调试功能。

HDL仿真器是构建硬件架构的关键工具，它允许在给定样本输入数据时模拟架构的工作方式。

具备资格的客户可以使用Microchip的Libero SoC 12.3 FPGA设计套件和SoftConsole 6.2集成开发环境开始设计，无需硬件。他们也可以使用Renode（微处理器子系统的一个虚拟模型）来调试其嵌入式应用。

PolarFire^® SoC Icicle开发套件（图3）是一个低成本设计平台，可用于评估支持五核Linux的RISC-V微处理器子系统、创新型Linux和实时执行、低功耗功能以及丰富的外设。该套件具有适当的存储器（LPDDR4、SPI和eMMC闪存）来运行已有的Linux操作系统，包括用于监控各种电源域的电源传感器、PCIe根端口、Raspberry Pi 4、SD卡和mikroBUS扩展端口，以及USB、UART、CAN和I²C有线连接选项和千兆以太网。

图3：可以通过Icicle设计套件快速完成PolarFire^®SoC的设计。
（图源：Microchip）

Icicle套件中的PolarFire^®SoC器件使用板载FlashPro6编程器或外部FlashPro 4、5或6编程器进行编程。此18.3cm x 12.6cm套件配有一个12V/5A壁装式电源适配器、一根以太网电缆、一个用于将UART接口连接到PC的USB 2.0微型连接器和一张快速入门卡。

结语

设计人员在使用RISC CPU时面临的风险更小。对于明智的设计团队而言，RISC-V ISA可用于建立跨多代设备和产品的MCU框架。而对于真正苛刻的应用，从此可轻松获得采用FPGA架构和带有矢量扩展（RVV）内核的硬实现。

新的实现方式为：首先指定一个指令集，然后选择一家内核供应商，最后根据需要添加扩展。请记住，RISC-V不是内核或CPU，而是一种指令集规范。您可以通过以下方式获得内核：FPGA自带内核、从多家开源供应商（至少有十几家）获取内核设计，或者从商业内核提供商那里购买内核/处理器。

Microchip PolarFire^®
SoC FPGA Icicle套件

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