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什么是RISC-V?如何找到合适的开发板?-嵌入式系统-与非网

heian
发表于 2020-08-06 19:04:24

      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(图 1)。

        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。  

        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。  

        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:

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

        然后,使用以下命令进入按 SDK 创建的目录:

      cd freedom-e-sdk

        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:

      git checkout lofive-r1

      git submodule sync

      git submodule update –init –recursive

        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。  

        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(图 5)。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。  

        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:

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

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

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

        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。

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