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

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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。


一、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。


二、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。


三、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
• x1 PCI Express卡连接器
• x16 PCI 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。


四、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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