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嵌入式系统
嵌入式系统是计算机软硬件的结合体，既有固定的功能，也有可编程的功能。嵌入式系统可以是独立的系统，也可以是大型系统的一部分，它主要是为一个或多个较大系统中的特定功能而设计的。
自1960年美国麻省理工学院的德雷珀教授首次将嵌入式系统用于开发阿波罗导航系统，60多年来，嵌入式系统的应用已经遍地开花，覆盖家庭、办公自动化、银行和金融机构、安全、汽车、保护、个人、医疗等众多应用领域。2019年，全球嵌入式计算机市场价值约为863.04亿美元。分析师预计，到2027年该市场将达到1387.47亿美元，预测期内复合年增长率为6.3%。嵌入式计算需求的增长主要受益于消费电子产品以及人工智能应用的日益普及。
目前，在嵌入式计算市场上有两种处理器架构占据了主导地位，分别是Intel的x86 架构和ARM 架构。虽然Intel和ARM这两家公司的经营规模巨大，但它们的商业模式却截然不同。
Intel公司设计并制造自己的芯片，而ARM公司则将其IP授权给第三方设计公司，如高通公司和三星公司等，后者再根据需要添加自己的增强功能。这意味着，ARM的整个商业模式不是围绕芯片制造，而是围绕知识产权（IP）展开的。当然，在市场上x86和ARM这两种处理器类型也有共同点，即全部采用商业化授权使用模式。
最近几年，一种开源的处理架构RISC-V异军突起，业界尤其是中国半导体行业对其未来的发展及市场抱有极大的期待。那么，RISC-V这颗幼苗是否能如行业所愿在x86和ARM两颗参天大树旁边茁壮成长，并在嵌入式计算市场形成三分天下的局面呢？我们一起来看看下面的分析。
RISC-V、ARM、x86三者有何不同？
RISC-V、ARM和x86微处理器之间的许多差异是微妙的，在体系结构、安全性以及授权方式上均有较大差别。
1 在体系结构上的差异
在探讨三种处理器在体系结构上的差异之前，我们先来看一下指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）这个概念。根据百度百科的描述，ISA是处理器软件和硬件之间接口的一个完整定义，它定义了一台计算机可以执行的所有指令的集合，包括数据类型及格式，指令格式，寻址方式和可访问地址空间的大小，程序可访问的寄存器个数、位数和编号，控制寄存器的定义，I/O空间的编制方式，中断结构，机器工作状态的定义和切换，输入输出结构和数据传送方式，存储保护方式等。
由此可以看出，ISA以某种方式决定了处理器的应用程序，它的选择非常重要。我们熟悉的x86架构和ARM架构，它们之间最大的不同点便是使用的指令集不同。x86使用的是CISC指令集（Complex Instruction Set Computing,复杂指令集计算），ARM则使用了RISC指令集（Reduced Instruction Set Computing,精简指令集计算）。顾名思义，RISC-V肯定使用的是RISC指令集，不过与此前的其他RISC处理器不同，RISC-V是完全开源的，任何人都可以免费使用。
表1：CISC与RISC主要指标对比
（图源：CSDN）
RISC指令集是一种使用固定长度指令、大量使用寄存器的指令级架构，是一种可在单个时钟周期内执行的简单指令。因此，完成特定任务通常需要执行多条指令。CISC指令集的指令都是可变长度（Variable-Length Instruction）的，因此能最大程度利用内存的容量，且每条指令都能让处理器进行复杂的工作。在CISC处理器上，同样的任务可以用更少的指令完成，其目的则是试图以牺牲每条指令的时钟周期数为代价，最小化每条程序的指令数。RISC则采用了相反的方法，使用简单的指令，这些指令可以在单个时钟周期内执行，但代价是指令数量增加。与CISC指令集相比，执行RISC指令集所消耗的功耗更少。
指令是处理器芯片能做的最基本的计算。一条指令可能是加法，而另一条指令可能是减法或乘法。RISC-V背后的思想是使指令集尽可能小，以便实现者可以使用扩展添加对他们来说重要的指令。因此，RISC-V只有47条指令。相比之下，ARM拥有200多条指令，而AMD和Intel使用的CISC体系结构拥有超过1500条指令。
目前，99%以上的笔记本电脑、台式机和服务器是基于x86或AMD64 ISA的。ARM是智能手机在Android和苹果设备上使用的最新CPU架构，99%以上的智能手机、平板电脑均基于ARM ISA，涉及到的IP包括A系列、R系列和M系列。RISC-V更适合于某些特定的应用领域，如存储、边缘计算和人工智能应用等。
2 在商业模式上的差异
如今，64位体系结构已成为智能手机和PC机的主流。虽然Intel发明了x86架构，但现代x86-64体系结构并不是由英特尔发明的，而是由AMD在原有的x86架构上进行改造而来，因此，这些IP属于Intel和AMD。ARM公司拥有ARM处理器IP的绝对版权。
如果一定要说x86、ARM和RISC-V之间最显著的区别是什么，无外乎这样两点，一是计算架构，另一个就是商业模式。计算架构在上面已经基本说清楚了。在商业模式上，x86和ARM处理器均基于专有的IP，任何公司要想制造和销售这类产品，必须首先从Inte/AMD和ARM公司购买IP授权许可。RISC-V是一个开放的标准，任何人都能免费使用。需要说明的是，这并不意味着RISC-V是一个开源的处理器，它有的内核是开源的，有的内核也需要商业许可。
图1：商业与开源IP许可模式的差别
（图源：RISC-V International）
3 在安全性上的差异
x86体系结构设有四个级别的权限环，用于保护数据和功能不受故障影响，提高容错能力。而ARM架构，以ARMV7为例，其体系结构包括三个特权级别：应用程序、操作系统和虚拟机监控程序。ARM和RISC-V均使用了隔离机制的概念。ARM采用基于硬件的安全方案，而RISC-V则使用软件定义的隔离域。
OP-TEE是一个开源可信执行环境（TEE），它实现了ARM TrustZone技术，OP-TEE已经被移植到许多ARM设备和平台，包括ARMV8。RISC-V多域安全软件模型因体积较小，所以速度很快。
在安全性方面，RISC-V还有另一个优势，那就是它的庞大社区，无数的工程师不断研究安全环境和潜在的威胁，一旦确定了安全风险，他们就会与开放社区共享，以便安全专家能够快速开发或提出解决方案。
为什么看好RISC-V？
RISC-V最初是由加州大学伯克利分校的学者在2010构思的，它是一个开源的、免版税的处理器架构。与x86和ARM相比，RISC-V的优势主要体现在：
开源免版税：这就好比我们为PC安装了Linux而不是Windows。
- 结构简单：RISC-V比其他商业ISA小得多。模块化：RISC-V有一个小型的基础ISA，另有多个标准扩展。稳定：现在RISC-V的ISA基本冻结，不必担心再有重大的改变。可扩展性：如果说ARM许可了ISA和微体系结构，那么RISC-V则是仅仅提供ISA，它允许研究人员和制造商自定义要如何使用它。这种灵活性使得RISC-V可以扩展到各种类型的设备，从用于嵌入式系统的低功耗16位芯片到用于超级计算机的128位处理器。
众所周知，基于RISC的芯片通常比采用CISC设计的芯片具有更少的指令，因此在硬件中实现起来也更简单，芯片内部的晶体管数量也因此大幅减少，最终芯片的物理尺寸也会很小。这也是ARM芯片能在智能手机、物联网（IoT）等领域大放异彩的重要原因。RISC-V的ISA数量不及ARM的1/5，在尺寸和应用扩展上更具优势，这也是业界普遍看好它的重要原因之一。
RISC-V前景展望
从2010年作为学术研究到2020年RISC-V国际协会成立，RISC-V对半导体设计行业的吸引力越来越大。根据Semico Research的预测，作为一种免费的开源技术，在下一个十年的处理器体系结构市场中，RISC-V将占有较大份额。2018-2025年期间，预计RISC-V处理器将以146.2%的年复合增长率高速增长，其中工业领域是其最主要的应用市场。
图2：未来十年，在工业应用引领下，RISC-V将步入高速增长期
（图源：RISC-V基金会）
从图2中可以看出，2021年应该是RISC-V步入高速发展的起步阶段。目前，高性能计算特别兴趣小组（SIGHPC）也希望将RISC-V引入到机器学习、人工智能和边缘计算等应用领域，也许这只是RISC-V这个开源体系结构进入更多行业和应用的开始。
图3：过去十年RISC-V技术演变路线图
（图源：RISC-V基金会）
也许是受到行业的鼓舞，市场上RISC-V SoC产品越来越丰富。根据RISC-V GitHub的信息，目前至少有13个商业机构相继发布了RISC-V SoC产品，其中包括兆易创新、GreenWave和SiFive等公司的解决方案。
SiFive是由RISC-V发明者创建的公司，这家初创公司最新发布的新一代处理器P500系列，宣称可与Arm Cortex-A75竞争。这个系列的首款处理器Performance P550，与RISC-V RV64GC ISA规范兼容，可以扩展为四核结构。根据SiFive的信息，Performance P550处理器是迄今为止最快的64位RISC-V处理器，它的基准测试套件得分为8.65/GHz。SiFive将Performance P550内核与Arm Cortex-A75进行比较后发现，在SPECint2006和SPECfp2006整数/浮点基准测试中，Performance P550具有更高的性能，所占面积也小得多。
图4：SiFive P500系列内部方框图
（图源：SiFive）
2020年3月，RISC-V国际协会在瑞士正式成立，目前已经有500多名会员，这显示出行业对RISC-V的兴趣越来越大。今年6月份，有报道说英特尔将出价20多亿美元收购RISC-V芯片设计公司SiFive。此前，Nvidia已经发起了对ARM的收购，至于Intel的收购目的是为了与Nvidia竞争还是单纯为了提供与x86同等的替代体系结构，目前还无法判断。无论如何，RISC-V正在成为嵌入式计算市场的有力竞争者，这也是市场上已经达成的共识。
归纳起来，免费授权许可并不是RISC-V广受关注的唯一理由，RISC-V的设计目标应该是为了解决嵌入式计算系统性能即将受到的限制。通常，芯片上安装的晶体管数量越多，处理器的性能就会越高。在保证芯片尺寸不至于过大的同时，就必须压缩晶体管的尺寸，从而导致制造工艺的复杂度大幅提升，制造成本随之上涨。据称，台积电在其制造5nm芯片的工厂上花费了约170多亿美元。而RISC-V的目标恰好是通过缩小晶体管尺寸和数量之外的方法来解决性能提升的问题。
在嵌入式计算市场，ARM和x86之间的较量似乎从未停歇。RISC-V芯片目前主要应用在工业领域。在消费市场，它能否动摇ARM/x86的双寡头垄断地位还有待观察。从现实的情形来看，RISC-V极有可能成为未来的主流处理器之一，届时，嵌入式计算市场将形成x86、ARM和RISC-V三分天下的格局。
