什么是RISC-V，RISC-V 的使用技巧与诀窍

魏定国

在不断创新并保护其知识产权 （IP） 的同时，还需兼顾低功耗和低成本，致使设计人员持续面临着压力。因此，对于移动应用处理器的设计人员而言，RISC-V 开源硬件指令集架构 （ISA） 值得留意。既然 RISC-V 已成为微控制器的一个选项，嵌入式系统和消费类设备的设计人员需要学习如何着手将 RISC-V 整合至自己的设计。

　　GroupGets LLC 的 FE310 LoFive-R1 开发板为此提供了一条捷径。在介绍 LoFive-R1 之前，本文将介绍 RISC-V 并说明开发人员应考虑使用该架构的原因。然后，本文将详细介绍 LoFive-R1，说明如何着手应用开发以及可用的一些技巧与诀窍。

　　什么是 RISC-V？

　　RISC-V 是一个开源硬件指令集架构项目，2010 年始于加州大学伯克利分校。构建 RISC-V 架构的原因很多，包括：

　　满足对开源指令集架构 （ISA） 的需求，以供大学项目学术研究和学生使用

　　分享 ISA 开发设计专业知识的途径

　　避免向现有芯片公司支付特许权使用费以节省成本的方法

　　保护架构（公司 IP）的设计细节以保持商业可行性

　　就设计人员而言，RISC-V 是一种专为高速和低功耗而设计的简化架构。因此，基于 RISC-V 的芯片不仅适用于学术界，也非常适合商业应用。实际上，RISC-V 基金会备受关注，目前已吸纳约 325 名成员，其中包括 Si-Five、Google、Microchip Technology、NVIDIA 和 Qualcomm 等公司。

　　为 RISC-V 开发做出贡献的公司虽不少，但对于普通开发人员而言，获得 RISC-V 实践经验的最佳方法是找到一款基于 RISC-V 处理器的开发板。

　　LoFive FE310 开发板

　　GroupGets LLC 的 LoFive-R1 开发板正是其中之一。

　LoFive-R1 开发板包含 RISC-V 处理器和所有必要的支持电路，因此该开发板可作为处理器模块直接焊接到载板上。

　　首先，LoFive R1 包含的 RISC-V 处理器最高可在 320 MHz 下运行。该处理器包括 8 KB 的一次性可编程 （OTP） 存储器、8 KB 的掩膜 ROM、16 KB 的指令缓存和 16 KB 的 SRAM。此外，该处理器还具有三个独立脉冲宽度调制 （PWM） 控制器、SPI、I2C、UART，甚至 QSPI 闪存接口。

　　其次，该开发板既可焊接针座，也可直接焊接到载板上用作处理器模块（由于其边缘呈圆齿形），无需费时额外采购处理器，从而极大简化了开发人员对定制硬件的设计流程。

　　再者，该开发板的板载 QSPI 闪存由 Integrated Silicon Solution Inc. （ISSI） 的 IS25LP128 闪存模块提供。IS25LP128 闪存模块容量为 128 Mb（即 16 MB），在四通道输入/输出模式下 SPI 总线接口速度高达 133 MHz（图 2）。该 SPI 闪存模块可用于存储以确保充足的应用程序空间，也可用于存储应用程序日志等运行时数据。

图 2：LoFive-R1 开发板包括 ISSI 的 128 Mb SPI 闪存模块，可用于应用程序存储。（图片来源：ISSI）

　　另外，该开发板也可采用 5 V 的工作电压，通过 MaxLinear 的 SPX3819M5 线性稳压器转换为 3.3 V。该稳压器采用 SOT23-5 封装，却可提供高达 500 mA 的电流。该开发板消耗电流较小，因此可支持其他传感器和器件，而无需额外添加电源电路。

　　

图 3：LoFive-R1 开发板的 SPX3819 3.3 V 线性稳压器可提供高达 500 mA 的电流，足以支持整个板载电路和部分外部器件（如传感器）。（图片来源：MaxLinear）

　　最后，该开发板的原理图和物料清单等所有设计细节均可从 github 获取。这些信息有助于开发人员理解该开发板的工作原理，也可用作定制开发项目的设计指南。

　　RISC-V 工具链设置和开发板编程

　　开发人员会发现 RISC-V 可用的工具链有多种，具体取决于所选择的开发板。需要注意的是，适用于 RISC-V 的 SDK 支持 Windows、macOS 和 Linux。本文将展示用于 Linux 的开发板设置方法。

　　首先，在终端上使用以下命令从 git 中签出 LoFive Freedom-E SDK：

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

复制代码

　　然后，使用以下命令进入按 SDK 创建的目录：

1. cd freedom-e-sdk

复制代码

　　该开发板可用的 SDK 有两款。第一款称为“旧版 SDK”，因为版本较旧。请使用新版 SDK，其中包括预构建的工具链和用于调试的 OpenOCD。使用以下命令签出 SDK：

1.       git checkout lofive-r1
   
2. 
   
3. 
   
4. 　　git submodule sync
   
5. 
   
6. 
   
7. 　　git submodule update –init –recursive

复制代码

　　开发板编程可通过几种不同的方式完成。首先，该处理器具有标准 JTAG 信号，可通过 LoFive-R1 扩展连接器获取该信号。开发人员可以使用任何支持 JTAG 的编程器，例如 SEGGER 的 J-Link。若没有相应的编程器，开发人员也可使用 FTDI 的 FT2232H-56Q Mini MDL 等低成本的 USB 转串口转换器（图 4）。FT2232H-56Q Mini MDL 模块可提供连接 LoFive-R1 开发板所需的所有连接和分线。SDK 可使用 FT2232H-56Q 的通用 I/O 来构建必要的 JTAG 连接，实现对微控制器的编程。

　　FT2232H-56Q MINI MDL 是一款低成本的串口模块，可通过 USB 直接连接计算机，然后连接 LoFive-R1 开发板的板载 UART。

　　LoFive-R1 开发板与 FT2232H-56Q 模块之间需要九个不同的连接（表 1）。

表 1：LoFive-R1 开发板与 FT2232H-56Q 模块的连接简表。（表格来源：Digi-Key Electronics）

　　上述连接可以总结为：

• 电源和接地
• JTAG 信号
• UART 信号
  

　　连接可以采用直连法，也可使用 Global Specialties 的 PB-83M 等试验板来完成。该试验板的香蕉插孔可用于连接两个电压源和接地，以简化原型开发。

　PB-83M 提供的香蕉插孔可用于连接两个电压源和接地，以简化原型开发。（图片来源：Global Specialties）

　　首次使用 LoFive-R1 时，建议先安装板载引导程序。引导程序只需安装一次，后续即可轻松升级。通过执行以下命令，即可从 SDK 中加载引导程序：

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

复制代码

　　然后，使用以下命令将 “hello world” 应用程序加载到开发板：

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

复制代码

　　至此，开发人员就已完成了首个 RISC-V 应用程序编写，此后的扩展则具有无限可能。

　　RISC-V 的使用技巧与诀窍

　　RISC-V 处理器入门与标准微控制器生态系统有所不同。 以下是几点“技巧与诀窍”：

　　签出 LoFive-R1 SDK 后，花时间查看主目录下的 README.md 文件。其中包含了在何处能找到 SDK 说明文档、板级支持包及其他有用信息。

　　若有 SEGGER 的 J-Link 等专业调试探测器，即可用于 RISC-V 处理器的应用程序编程。自 2017 年以来，J-Link 一直支持 RISC-V。

　　如果开发人员偏好使用 IDE 而非命令行工具，可以考虑使用 Freedom Studio（基于 Eclipse 的 IDE）进行 RISC-V 开发。

　　首次使用 RISC-V 时，只需遵循这些“技巧与诀窍”，开发人员即可节省大量时间和精力。

　　总结

　　对于希望使用开源硬件架构的开发人员而言，RISC-V 架构值得留意。目前，市面上已有基于 RISC-V 处理器的开发板，如本文所述，工具链设置难度与任何其他标准微控制器差别不大。

　　RISC-V 虽令人着迷，但是请别忘记，其生态系统对比现有的许多微控制器平台相对贫乏，因此开发人员选择深入探索 RISC-V 后，就会发现可用的选择和资源很少。权衡取舍不失为良策，具体取决于最终应用以及开发人员的偏好和资源。

完