微控制器几乎无处不在，但 RISC-V 能否满足这个市场的需求？小到足以取代 8 位处理器吗？什么可以帮助人们迁移到更现代的处理器架构？
RISC-V定义了一个 32 位处理器指令集架构(ISA)，它是开源的并且可以以多种方式自由实现。它被吹捧为一个非常小而高效的架构，同时被定义为易于扩展。许多附加组件已经是经过批准的扩展，其中大量在 2021 年 12 月的 RISC-V 峰会上亮相。
但问题依然存在。基本规格是否足够小？不是添加额外的功能，而是需要删除一些东西？它作为微控制器有用吗？根据多份行业报告，2020 年 8 位微控制器市场约为 80亿美元，预计在可预见的未来将增长 4% 至 5%。2014 年，8 位仍然是最大的销量，占销售额的 39.7%，而 32 位紧随其后，为 38.5%。
如今，16 位市场已成为最大的市场，占有 48.8% 的份额。8 位正在逐渐失去市场份额，但这将是 16 位而不一定是 32 位。其中大部分是分立芯片，小型处理器显然有一个庞大且可持续的市场。
无处不在的控制器
复杂的设备可能包含许多控制器，但它们很少受到关注。Imperas Software首席执行官 Simon Davidmann 表示：“有许多芯片包含多个大型 Arm 内核，被用作应用处理器，但你也会在其中发现许多小得多的处理器。” “它们被用来做各种各样的事情，其中许多很可能是基于 RISC-V 的小众处理器。没有人真正知道它们是什么，因为它们是隐藏的。”
这些处理器不必遵守相同的规则。Arteris IP的研究员兼系统架构师 Michael Frank 说：“您将始终拥有几个 CPU 来执行一般处理并协调系统周围的数据移动。” “他们做了所有需要图灵完备和可编程的事情。但是你有一些专门的东西。这是硅面积的最佳利用，因为现在您可以省略算法中不需要的任何东西。”
微控制器的其他大型市场包括汽车、HVAC、物联网和医疗。一个 RISC-V 内核可能只需要 20,000 个门，那么当整个芯片可能有数百万个门时，为什么有人会担心尝试进一步优化它呢？在某些情况下，成本是最关键的因素，这意味着可能的面积最小。对其他人来说，这就是关键。对于必须使用单个电池持续数月或数年的设备，任何无所作为的逻辑都被视为必须消除的浪费。
最小的 RISC-V
RISC-V 基数很小。它仅包含每个人都必须执行的 47 条指令。相比之下，x86 为 1,503，Arm 约为 500。它使用最简单的加载/存储架构，这意味着所有操作都在内部寄存器上执行，并且有专门的指令在寄存器和内存之间进行传输。
“RISC-V 从一个简单的整数指令集开始，基本上，已经是处理器的基本结构，”Arteris 的 Frank 说。“你可以从中剥离的东西不多。最简单的 RISC-V 处理器的实现具有 32 位整数。这就是过去的微控制器。我看不出你为什么要进一步减少它的原因。伯克利团队创建了一个很好的分层和可扩展架构。他们从之前所做的所有事情中吸取了教训，并通过构建许多变体以及集成到架构中的扩展，我总是将其视为基础层，而不是可以削减的东西。”
在指令集中，可以定义寄存器文件的大小。“RISC-V 的一个非常好的方面是你可以减少它，”Imperas 的 Davidmann 说。“作为一个组织，RISC-V 试图做的是帮助人们做这样的事情。例如，有减少寄存器数量的 E 版本。通常是 32，但这个版本只定义了 16。”
例如，SiFive 最近讨论了 RV32E 的实现，该实现可以配置为仅在 13,500 个门中实现。ZERO-RISCY 是作为 PULP 平台的一部分开发的用于节能计算的核心，具有消耗 11,600 个门的两级流水线实现。
该规范还允许定义简单的控制器，这些控制器不需要大量的逻辑来围绕核心。“他们试图做到这一点，你甚至可以在没有特权模式功能和控制/状态寄存器的情况下设计它，这样你就可以把它归结为一个非常简单的控制器，”Davidmann 说。“这仍然允许你使用标准汇编器，它仍然是一个 RISC-V，但它不会很快完成你的浮点运算。它只是一个非常小的控制器。”
其中一些减少来自该标准的早期工作。Axiomise 的创始人兼首席执行官 Ashish Darbari 说：“剥离大型设计以获得更小的处理器很有价值的原因可能有很多。” “已经有来自公开处理器的例子。例如，来自 PULP 平台组的两个 RISC-V 内核 ZERO-RISCY 和 Ibex 是 RI5CY 的精简版本，后来成为 cv32e40p。在这种特定情况下，RI5CY 具有不属于标准 RISC-V ISA 的自定义指令。”
似乎没有考虑的一种减少涉及字长。“如果你减小字长，你就会失去 RISC-V 处理器的功能和美感，你可以在相同的寄存器中，在相同的 ALU 中进行地址计算、整数计算，所有事情，”弗兰克说。“在减少 RISC-V 之后，很难保留有用的东西。RISC-V 的美妙之处在于它有一个工具链，如果你开始切割东西，你就只能靠自己了。”
具有讽刺意味的是，延期可能会产生储蓄。Codasip的首席技术官 Zdeněk Přikryl 说：“如果您的芯片上有一堆处理器，那么每个处理器都可以针对特定任务进行优化或定制。” “它可以是人工智能，也可以是安全性，也可以是任何东西。我们使处理器能够以高级架构描述语言设计，通过它我们捕获指令集，可以称为架构视图，以及微架构视图，这基本上是 ISA 的实现。由于我们在高级架构语言中拥有这一单一描述，因此我们能够生成编译器、汇编器、反汇编器、模拟器，最终生成 RTL。”
一种这样的扩展是压缩指令集，它使代码空间更小。压缩指令允许您将两条指令放入一个 32 位字中。这减少了所需的程序内存量，尽管它略微增加了处理器的复杂性。一种说法是实现这一点需要 400 个门。这可能不仅仅是由内存面积的减少所弥补的。其他尝试这样做，例如 Arm Thumb 格式，本质上是不同的指令集。
因此，优化的核心可能并不总是意味着最小的。“我们有一位客户开始调查已批准的 RISC-V 扩展，试图找到最佳折衷方案，”Codasip 的 Přikryl 说。“他们从基线开始，然后添加扩展并研究不同扩展的组合。他们不仅关注性能，还关注大小和内存占用。关键之一是处理器是系统的一部分，而您正在尝试优化该系统。在这种情况下，拥有高效的代码很重要，因为当您在硅片中实现子系统时，您的指令存储器是能源和电力的主要消耗者之一。在优化过程中，我们设法将代码大小减少了大约三倍。”
进行更改确实会给流程带来一些复杂性。“任何人都可以使用 RISC-V 并对其进行更改，”Davidmann 说。“他们可以添加比特，拿走他们喜欢的比特，扔掉他们不喜欢的比特。只要是针对深度嵌入式系统，没有人会关心他们完成了什么。没有人会看到它。这就是为什么一开始没有人真正关心兼容性和合规性的原因。”
修改后的内核确实必须经过验证。Axiomise 的 Darbari 说：“沿着这条道路前进的最大挑战是确定 delta 更改对核心的整体功能有何影响，以及确定 delta 是否按照预期进行。” “这些是正式方法的最佳点，可以通过检查精简内核的架构合规性与正式验证 RISC-V 内核的应用程序formalISA 中的一组正式指定的架构属性来发现差异。”
结论
指定的 RISC-V ISA 是一个最小但完整的处理器架构，可以在少于 20K 的门中实现。该标准考虑到在某些情况下只需要一个最小的核心，并且已经定义了变体和扩展以使其适应代码大小等问题。扩展可能会产生更优化的内核，不仅可以更快地完成工作，而且可以减小尺寸、功耗或在特定应用中重要的其他方面。
用后来由林肯总统改编的约翰·利德盖特的话来说，“你可以一直取悦某些人，有时也可以取悦所有人，但你不能一直取悦所有人。”
RISC-V International 在让大多数人开心方面做得很好。