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美国美高森美公司:采用RISC-V内核的现场可编程门阵列将在战略国防系统中发挥大作用

专家:美国美高森美(Microsemi)公司FPGA/SoC市场部主任Ted Marena。FPGA领域从业经验超过20年,从事过设计工程师、技术销售/支持、业务发展、产品和市场策略等工作。

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Ted Marena

           

当谈到电子元器件的使用时,国防市场通常意味着发展缓慢和滞后。升级军事系统时通常所需的严格认证和测试并不能马虎,但缩短下一代战略国防产品的研发周期的需求也在不断增加。现场可编程门阵列(FPGA)和系统级芯片(SoC)FPGA可用于加速国防关键任务产品的原型开发等研发过程。这些FPGA和SoC FPGA通常需要实现的功能包括安全通信、保护知识产权(IP)、寄存器传输级(RTL)源代码检查、防篡改、供应链保障等。


要满足这些挑战,最佳的选择并不是一个FPGA加一个专用处理器,而是集成了RISC-V开源指令集架构(ISA)的FPGA。一个带有RISC-V开源ISA处理器IP的安全FPGA和一个完整的生态系统将支持设计人员加速研发,节省软件投资,加速可信处理器的使用创新,满足下一代战略国防系统所需的安全和其他要求。


了解RISC-V

RISC-V并不是一个处理器,而是一个开源ISA,该新的RISC-V基于开源ISA的处理器生态系统是当前处理器架构的一个主要分支。处理器架构的主流是Intel的X86系列或ARM A系列处理器。但在国防应用中使用带有RISC-V内核的FPGA也有很多优点。开源ISA应用于每一件东西都有一个微架构授权。如果RISC-V IP核提供RTL源,就可以进行深入检查;包含一个加密处理器的RISC-V将支持可信安全通信。由于ISA是固定的,意味着软件可以只写一次,但永远运行。


开源ISA的优点

ISA是开源的,这样任何人都可以设计一个RISC-V处理器。正如设计人员有一个微架构授权,这是一个可变的选择。用户和硅供应商能够自由实现他们认为对其应用最好的架构。这种选择支持更广阔的创新,例如在硬件中有一些操作加速的设计,或者设计用于最低功耗的处理器。举个例子,美高森美为其FPGA引入了一系列RISC-V IP核,所有都由用户需求驱动。


使用开源ISA,有一个附加的设计便携性优势。例如,设计人员可以使用低密度FPGA器件,当设计量增长时,可以很容易重新写入中等密度的解决方案,甚至一个定制的专用集成电路(ASIC)。


开源RTL

尽管RISC-V的源头原本在开源社区,并不是每一个应用实现都需要提供源代码。但是,使用RISC-V,设计人员能够从特定的供应商处获取处理器源代码。这个在封闭的架构,如ARM或基于X86器件中,并不容易实现。FPGA供应商可以使用一系列IP核来支持其供货。一个例子是美高森美最近发布的Mi_V_RV32IMA 32位 RISC-V IP核,是其Mi-V生态系统的一部分。由于已为国防机构提供完整的RTL源代码,可进行深度检查,已获准用于最高等级的安全功能,支持FPGA系统的可信这一点对于很多政府、军事和国防系统至关重要。


保证通信安全的另一个重要方式是将RISC-V和与防御差分功耗分析(DPA)加密处理器结合在一起。保证安全的通信的设计例子如图1所示。为了发起安全数据通信,软RISC-V核用于FPGA制造中。RISC-V核指令协处理器执行加密协议,使用哪个密钥,如何实现其他安全控制能力。嵌入的加密协处理器然后在FPGA内外运行安全数据链。在该例子中,RISC-V核的启动代码同样可以存储在片上安全非易失存储器(NVM)中,这样就不会在其中嵌入隐匿功能或恶意软件。因此,一个RISC-V设计可以用于实现多种类型国防系统的根源可信。

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图1 安全数据通信示例



固定ISA

在每一代ARM处理器中,指令集架构往往在不断增长,导致软件工程师需要升级其代码来满足更新的架构。与此相反的是,RISC-V ISA是固定的,这样可无缝将代码从一个RISC-V核迁向另一个核。国防市场能够快速接受RISC-V作为一个新的标准开源架构来直接实现本地硬件,因为他们能够依赖固定ISA。固定的ISA和RISC-V的便携性可以数年甚至数十年的方式支持大量国防系统的设计。


以热成像或红外照相应用为例,如图2所示。在相机中的RISC-V核实现了微控制器能够支持的传统功能,包括配置图像传感器和在需要调整时周期性地升级配置。RISC-V核同样可以运行外部存储器堆栈,来配置图像或视频的传输。在有RISC-V核的所有器件中软件将具备最大的便携性,将产生一个完全没有授权费用的子系统。由于可获得RTL源代码,可以在任何硬件上实现设计。这样,如果FPGA产品系列需要改变,设计人员能够简单地重定向RTL源,且不需要做出任何软件改变。

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图2 热成像或红外摄像示例



RISC-V生态系统

为了鼓励和支持更广泛的应用,RISC-V基金会(一个由会员控制的非营利性组织)在2014年固定了其指令集,这样市场就能够确定处理器架构。因此,由于ISA是开源和固定的,在一个RISC-V微架构中的所有变化都是可接受的。已经有很多开源、主流软件工具支持RISC-V设计,尤其是当市场中引入了RISC-V生态系统。


Microsemi的Mi-V生态系统包含基于FPGA的开源架构RISC-V IP核,软件集成发展环境(IDE),对多种第三方实时操作系统(RTOS)的支持(如图3所示)。一个RISC-V生态系统的重要特性是在多种Flash FPGA中部署RISC-V IP核的能力,每一种FPGA都可以在安全NVM中为RISC-V核存储引导代码。这种设计可阻止恶意软件或隐藏功能被装入系统中。RISC-V生态系统另一个特征是具备完整支持设计的工具族,这些工具能够支持设计人员进一步在定制FPGA设计中利用RISC-V RTL的优势。


RISC-V生态系统应同样支持几种开源和商业RTOS,例如Express Logic公司的工业级ThreadX,以及Micrium公司的uC OS II。对于软件的研发,一个好的选择是美高森美公司的基于Eclipsed的Soft Console IDE,能够提供完整的研发支持,包括一个C或C 编译器和完整的调试能力。

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图3 美高森美公司的Mi-V生态系统的组成元素


总结

随着RISC-V获得主流接受,国防工程师和构造师现在可以考虑该前景巨大的替代性处理器架构。开源ISA、可用的RTL源代码、安全通信解决方案、固定ISA等优势都有望解决战略国防系统提出的挑战。可获取源代码的开源ISA支持用户信任为特定功能而优化的设计。对于需要根源可信和安全通信的应用,RISC-V处理器架构能够与最新中等密度FPGA一同使用,提供完全的设计IP保护、防篡改能力和其他安全特性。最后,固定ISA可以多年保证软件的兼容性和架构的长寿命。

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