RISC-V für den Industriemarkt

Autor / Redakteur: Ted Morena * / Sebastian Gerstl

Der Industriemarkt bringt viele Anforderungen mit sich, die es in anderen vertikalen Märkten nicht gibt. Wenn es um Prozessoren für das Industriesegment geht, schlägt Microsemi für ein entsprechendes System nicht einen speziellen Prozessor vor. Statt dessen bietet die neue, feste Befehlssatzarchitektur (ISA) in diesem Segment einige Vorzüge.

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Mit MI-V stellt Microsemi ein eigenes Ökosystem bereit, dass die Entwicklung mit und die breite Akzeptanz von der RISC-V-Architektur auf breiter Ebene fördern soll.
Mit MI-V stellt Microsemi ein eigenes Ökosystem bereit, dass die Entwicklung mit und die breite Akzeptanz von der RISC-V-Architektur auf breiter Ebene fördern soll.
(Bild: Microsemi)

Zu den speziellen Anforderungen im Industriemarkt gehören eine lange Lieferverfügbarkeit, lange Produktlebenszyklen sowie robuste und zuverlässige Technologien, um nur ein paar zu nennen. Ferner fordern Industriedesigns Technologien, bei denen sich die Entwickler auf Unterstützung über lange Zeitspannen verlassen können.

Von dem neuen offenen Standard, den das ISA-basierte Prozessorökosystem RISC-V bietet, kann insbesondere der Industriemarkt profitieren. Dabei ist es egal, als Betriebssystem der Wahl Linux oder ein RTOS (Real-Time Operating System; Echtzeitbetriebssystem) eingesetzt wird. Mit der signifikanten Nutzung von Linux und Releases wie das Linux Yocto Project, können Entwickler für Industriedesigns jetzt jede beliebige Prozessorarchitektur wählen, die ihr Betriebssystem unterstützt.

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Heute sind die meisten Prozessorarchitekturen Varianten der x86-Architektur von Intel oder eine ARM-Architektur, hauptsächlich der Klasse A. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass diese Prozessoren künftig an Beliebtheit verlieren, befindet sich das RISC-V-Prozessor-Ökosystem in den Startlöchern für die schnelle Verbreitung im Industriemarkt.

Die Prozessorplattform RISC-V ist an sich keine neue Architektur, sondern eine neue feste ISA. Das Design der Prozessor-Mikroarchitektur ist flexibel. Hersteller haben die Freiheit, eine Architektur zu implementieren, die sich ihrer Meinung nach am besten für die jeweilige Anwendung eignet. Dies ermöglicht Innovationen wie etwa Designs, bei denen manche Operationen in Hardware beschleunigt werden, oder einen Prozessor, der im Hinblick auf den geringst möglichen Energieverbrauch entwickelt wurde.

Alle Varianten in einer RISC-V-Mikroarchitektur sind akzeptabel, da die ISA fest ist. Mit der festgelegten ISA können Ingenieure, Zulieferer und andere Zielgruppen jetzt eine Prozessorarchitektur voll auf ihre Anforderungen ausrichten.

Man stelle sich einen Prozessor vor, der genau für die spezifischen Industrieanforderungen eines Anwenders entwickelt ist. Um den breiten Einsatz zu ermöglichen, hat die RISC-V Foundation, eine Non-Profit-Organisation, den Befehlssatz 2014 endgültig festgelegt. Somit kann der Markt seine Prozessorarchitekturen vorgeben. Die RISC-V-Organisation wird durch über 100 Mitgliedsunternehmen kontrolliert, darunter viele Tier-1-Organisationen. Sie steuert die künftige Entwicklung von Hard- und Software-Spezifikationen sowie des Ökosystems. Eines davon ist das Microsemi RISC-V-Ökosystem Mi-V.

Wie bereits erwähnt, nutzen die meisten Industriedesigns das Betriebssystem Linux. Aufgrund dieser Marktverlagerung sind Entwickler und Systemarchitekten jetzt von der Prozessorarchitektur unabhängig und können jeden Prozessor wählen, auf dem Linux läuft. Hinzu kommt, dass der breite Einsatz von Linux die Entscheidung für die ISA grundsätzlich unerheblich macht. Falls der Prozessor Linux unterstützt, kann er für die Anwendung in Betracht gezogen werden.

Mit jeder neuen Version von ARM-Prozessoren neigt der Befehlssatz dazu, zu wachsen. Dies erfordert eigentlich neue Versionen von Linux, um die neueren Architekturen zu unterstützen. Die RISC-V ISA hingegen ist festgelegt und die Code-Migration von einem zu einem anderen RISC-V-Core ist reibungslos, nicht wie bei der Migration von einem zu einem anderen ARM-Core.

Vorzüge des RISC-V-Befehlssatzes

Wegen der dominanten Position von Linux OS kann der Industriemarkt RISC-V schnell als Standard für eine neue Prozessorarchitektur für direkte Hardware-Implementierungen annehmen. Dies ist einer der Hauptgründe, aus denen RISC-V für den Industriemarkt attraktiv ist. Es gibt jedoch zusätzliche Faktoren, die RISC-V attraktiver als andere Prozessorarchitekturen machen. Im Folgenden werden diese Faktoren sowie Designbeispiele vorgestellt.

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Portabilität: Designs, die nach dem Ramp-up in die Serienfertigung überführt werden könnten, profitieren von der Portabilität von RISC-V. So kann ein Design in einem FPGA mit einer Soft-Gate-Version eines RISC-V-Core begonnen und die Auslieferung des Produkts gestartet werden. Das Beispiel einer Industriekamera macht dies deutlich (Bild 1).

Der RISC-V-Core der Kamera enthält alle klassischen Funktionen eines Mikrocontrollers. Er konfiguriert zunächst den Bildsensor und aktualisiert die Einstellungen periodisch, sobald Anpassungen erforderlich sind. Auf dem RISC-V-Core kann auch der Wifi- und der externe Memory Storage Stack laufen, um die Übertragung von Bildern oder Videobildern einzurichten. Da sich die Software über alle Bausteine mit einem RISC-V-Core portieren lässt, entsteht ein lizenzfreier Prozessor-Subsystem-RTL-Code, der in beliebige Hardware implementierbar ist. Sobald die Stückzahlen für die Kamera hoch genug sind, kann man ein Retargeting des RTL-Quellcodes auf ein ASIC durchführen, ohne dass Lizenzgebühren anfallen.

Langlebigkeit: Da der RISC-V ISA fest ist, kann bei Industriedesigns, die oft für mehrere Jahre und manchmal sogar für Jahrzehnte entwickelt sind, mit Software-Kontinuität gerechnet werden. Für die oben erwähnte Kamera bedeutet dies, dass, sobald der Software-Code geschrieben und geprüft ist, er ewig auf jedem RISC-V-Core laufen kann. Die anfängliche Fertigung kann mit einem Soft RISC-V-Core und einem IGLOO2-FPGA erfolgen und der Code ist vollständig kompatibel, wenn ein ASIC realisiert wird. Langlebigkeit heißt nicht nur, dass man sich auf die feste ISA verlassen kann, sondern bedeutet auch Schutz von Software-Investitionen.

Vertrauen: Für viele Regierungs-, Finanz- und Verteidigungsprogramme ist der Einsatz eines vertrauenswürdigen Prozessors entscheidend. Doch wie kann man einem Prozessor vertrauen, wenn der zugrunde liegende RTL-Code wie bei ARM nicht zugänglich ist? Man stelle sich das Design in Bild 2 für gesicherte Kommunikation vor.

Zum Sichern des Datenlinks wird der Embedded Verschlüsselungs-Co-Prozessor TeraFire 5200B verwendet. Um die sichere Datenkommunikation einzuleiten, nutzt die Schaltung einen Soft RISC-V-Core in der FPGA-Fabric. Der RISC-V-Core weist den Co-Prozessor an, welche Verschlüsselungsprotokolle er mit welchen Schlüsseln ausführen soll und übernimmt zudem weitere Steuerfunktionen. Auf dem TeraFire 5200B läuft dann der sichere Datenlink in und aus dem PolarFire FPGA. Da der RISC-V RTL-Quellcode zur Überprüfung verfügbar ist, können ihm Entwickler bei der Implementierung der sicheren Datenkommunikation vertrauen. In diesem Design kann der Boot Code für den RISC-V-Core auch in dem auf dem Chip integrierten sicheren NVM (Non Volatile Memory) gespeichert werden. Somit werden weder ein Rootkit, noch Schadsoftware eingeschleust. Ein RISC-V-Design wie dieses, kann als Root-of-Trust verwendet werden.

Zertifizierung und Datensicherheit: In Industriedesigns, die über eine hohe Funktionssicherheit verfügen müssen, ermöglicht RISC-V eine höhere Zuverlässigkeit. Da Entwickler die volle Flexibilität über die Mikroarchitektur haben, könnten sie SEU-Schutzmaßnahmen (Single Event Upsets) für den Daten- und Befehlsspeicher implementieren. Viele weitere sicherheitsrelevante Techniken lassen sich implementieren, da ein Soft RISC-V-Core, wie beispielsweise der RV32IM von Microsemi, den Zugang zum RTL-Quellcode erlaubt. Bei Industriedesigns, die zertifiziert sein müssen, ermöglicht die Verfügbarkeit des RTL-Quellcode die Überprüfung, was die Zertifizierung des Cores vereinfacht. Die Möglichkeit, den RISC-V RTL-Code überprüfen zu können, ist für Anwendungen vorteilhaft, die Zertifizierung oder Vertrauen erfordern.

Dies sind die Hauptvorteile der RISC-V ISA für Industrie-Applikationen. Damit Entwickler RISC-V für ihr nächstes Projekt erkunden können, gibt es mehrere Quellen. Hintergrundinformationen über RISC-V und seine Mitgliederorganisationen gibt es auf www.riscv.org.

Ein komplettes RISC-V-Entwicklungssystem

Falls Anwender einfach nur sofort in ein Design eintauchen und Code für einen RISC-V-Core schreiben möchten, steht die Github Site von Microsemi zur Verfügung. Microsemi hat kürzlich ein RISC-V-Ökosystem mit der Bezeichnung Mi-V eingeführt. Mi-V enthält erstmals in der Branche einen FPGA-basierten RISC-V-IP-Core mit offener Architektur sowie eine umfassende Software-Lösung.

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Die IDE trägt die Bezeichnung SoftConsole. Entwickler können den Mi-V RISC-V IP-Core in verschiedene Flash-FPGAs einbinden, darunter PolarFire-, IGLOO2- und SmartFusion2-Bausteine. Bei diesen FPGA-Familien kann der Boot Code für den Microsemi Mi-V RISC-V Soft Core in Secure NVM gespeichert werden. Damit lässt sich verhindern, dass Schadsoftware oder ein Rootkit in das System gelangen. Embedded-Entwickler können die Vorteile der offenen RISC-V HDL-Architektur in ihren FPGA-Designs nutzen, indem sie die SoC Design Suite Libero verwenden.

Wenn Sie lediglich einen RISC-V-Core prüfen und ausführbaren Softwarecode schreiben möchten, bietet Microsemi im Rahmen des Mi-V-Ökosystems mehrere Referenzdesigns an. Für die Entwicklung von Software-Code bietet die Eclipse-basierte Soft Console IDE (Integrated Development Environment) auf einer Linux- oder Windows-Plattform komplette Entwicklungsunterstützung. Ein C- oder C++-Compiler und eine Debugger-Funktion wird im Rahmen von Soft Console unterstützt.

Entwickler von Industriedesigns haben jetzt Zugang zu einer alternativen neuen Prozessorarchitektur, die sie für Mainstream- RISC-V-Anwendungen nutzen können.

Von den Vorteilen wie Design-Portabilität, Retargeting auf verschiedene Hardware und geringerer Energieverbrauch können im Prinzip alle Industrieanwendungen profitieren. Anwender können sich auch auf die feste ISA verlassen und Software-Kompatibilität sowie Langlebigkeit der Architektur sicherstellen. Der RISC-V-Prozessor ist speziell für Applikationen, bei denen Vertrauen, funktionale Sicherheit oder Zertifizierung im Vordergrund stehen, eine überzeugende Wahl. Unabhängig von den jeweiligen Entscheidungsgründen steht außer Zweifel, dass der Einsatz eines RISC-V-Core für Embedded-Entwickler eine neue Generation der Innovation freisetzt.

* Ted Morena ist Director of SoC/FPGA Products bei Microsemi

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