打造全球首款基于RISC-V,支持Linux的PC——HiFive Unleashed



对于常在开源硬件界混的小伙伴,相信对市面上的一些单板计算机都不陌生,什么树莓派、香蕉派、BeagleBone Black、Up Board等等,这些大多数都是采用ARM Coretx-A系列应用处理器或者更高端一些会采用x86系列处理器,无论性能或是功能都基本上可以满足现在小伙伴的需求。但是,不觉得少了点什么吗?整个被ARM围绕的世界是如此单一,我们就没有更好或者更别具一格的选择了吗?有!HiFive Unleashed,这是世界上首款基于RISC-V,支持Linux系统,独一无二的单板计算机,目前可以称得上是RISC-V的终极形态。


脱胎开源,超脱开源的HiFive Unleashed


很多人以前没听说过RISC-V,即便听说,也以为这只是个性能比较低下的架构,可能只适合做做面向IoT应用类的低功耗微控制器系列的项目。然否,本文的HiFive Unleashed可以说就是为RISC-V来正名的。


HiFive Unleashed是一款基于RISC-V的64位支持Linux片上系统的开发平台。板子的核心是SiFive FU540(Freedom U540)SoC,4+1的多核配置,主频高达1.5GHz,板载8GB的DDR4(ECC)。




HiFive Unleashed上板载的资源分布如下:
板子的硬件系统框架可以参考下图。
板载的主要资源:
  • SiFive Freedom U540 SoC
  • 带ECC的8 GB DDR4
  • 千兆以太网口
  • ISSI 32MB四路SPI闪存
  • microSD卡座,用于存储系统
  • FMC连接器,用于外设扩展

说实话,可能是各种各样的板子见多了,HiFive Unleashed虽然很惊艳,但是给我感触最深的就3点:一是作为世界上第一款能运行GNU/Linux的搭载RISC-V处理器的硬件;二是开发板居然搭载了8GB的DDR4(带ECC)的内存,这基本上在开发板中无出其右;三就是板载的这颗64位的RISC-V SoC。
所以接下来就来看看这个传说中的SoC。


Freedom U540 SoC


可以看到,Freedom U540 SoC与arm系列的应用处理器在外设方面没多大区别,而主要的区别在于集成的4+1的处理核,从版本上来看,Freedom U540 SoC采用台积电 28nm HPC 工艺制造,该 SoC 集成了1.5GHz 的4个U54 RV64GC 内核及1个支持Sv39虚拟内存的E51 RV64IMAC管理内核。那它们有什么区别?性能又是怎样呢?


E51 RISC-V核,包括了指令存储器系统,指令获取单元,执行流水线,数据存储器系统,以及对全局,软件和定时器中断的支持。 E51核支持Machine和User权限模式以及标准的Multiply,Atomic和Compressed RISC-V指令集扩展(RV64IMAC),其特点见下表。
△ E51核特点


U54 RISC-V内核,包括指令存储器系统,指令获取单元,执行流水线,浮点单元,数据存储器系统,存储器管理单元,以及支持全局,软件和计时器中断。4个U54的核,每个核都具备支持32KB L1指令和数据缓存的高效五级有序流水线,所有内核共享一个2MB L2 缓存。实时功能可以通过将L1指令和L2高速缓存与高速SRAM结合,以确保实时功能。 U54内核支持Machine,Supervisor和User权限模式以及标准的乘法,单精度浮点,双精度浮点,Atomic和CompressedRISC-V扩展(RV64IMAFDC)其特点见下表。
△ U54核特点


对比两者的区别,E51核支持Sv39虚拟内存以及偏向低功耗、控制类的功能执行(有点像微控制器),而U54支持浮点单元、支持ECC功能,具有更强的性能,更偏向于AI、机器学习、网络、网关和智能物联网设备(有点像应用处理器)。而两者的组合更像arm中的big.LITTLE结构,或者说有点像应用处理器与协处理器的意思。


软件&开发环境


HiFive Unleashed 的软件方面,除了可用 Linux 进行驱动外,也将配备丰富的SDK,会有软件Demo和易于安装的二进制工具。


另外,从官网了解到,RISC-V有一个自己的开发工具Freedom Studio,这是是一个集成的开发人员环境,可用于编写和调试针对基于SiFive的处理器的软件。 Freedom Studio基于行业标准Eclipse平台与预构建的RISC-V GCC工具链,OpenOCD,示例程序和文档捆绑在一起。不过目前来看好像只支持基于RISC-V的微控制器系列产品。


是时候来构建一台全球首个基于RISC-V,支持Linux的电脑了——HiFive Unleashed扩展板


比较遗憾的是虽然HiFive Unleashed看起来配置很强,但是没有配备像GPU以及其它的协处理器,不过呢,事情永远么有那么糟糕。Microsemi的可编程解决方案部门为HiFive Unleashed提供了一个扩展板,通过FMC接口连接,你只需要在扩展板上通过添加HDD,SSD,音频卡,网络适配器和/或图形卡就可以实现将Linux系统与你想要的软件包一起移植到此平台。
扩展板整个看起来比HiFive Unleashed开发板大多了,长10.7英寸,宽4.62英寸并且需要搭配独立的电源。扩展板预编程了一个基于PCIe接口的桥接芯片,可以轻松实现PCIe的扩展,板载的主要功能如下:
  • 300K逻辑单元,低功耗PolarFire FPGA
  • 24通道PCIe切换开关
  • x1PCI Express卡连接器
  • x16PCI Express卡连接器,连接有四个PCIe gen2通道
  • SSD M.2连接器
  • SATA连接器
  • HDMI连接器
  • eMMC Nand Flash
  • uSD卡插槽
  • USB-UART
  • 4 Gbit DDR4 x16
  • SPI Flash用于远程FPGA更新,QSPI Flash连接到GPIO
  • 两个CAN收发器
  • FMC连接到HFU540-4A00套件



HiFive Unleashed与扩展板连接后的实物图,可以看到,“核心板”只占扩展板的1/3大小。


通过HiFive Unleashed与扩展板的组合,在加上一些鼠标、键盘、图形卡、HDD/SSD或者PCIe USB卡等外设,你你可以轻松构建基于RISC-V、支持Linux系统的独一无二的PC,或者是用于linux开发工作站。


小结


免费、开放是RISC-V的精髓,HiFive Unleashed基于开源的属性,旨在鼓励第三方的接入,用户可以通过TileLink接口将开源代码构建的外设IP接入,配合HiFive Unleashed扩展板加上已经成熟的部分外设功能,用户可以非常容易的打造世界首款基于RISC-V、支持Linux的PC,甚至是工作站。这才是脱胎于开源,超脱开源的HiFive Unleashed的实力体现,或许也是目前所能设想的RISC-V所能达到的终极形态。



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