ARM 与 RISC-V：架构、生态系统和部署策略

对于嵌入式工程师、SoC 集成商和系统架构师来说，在 ARM 和 RISC-V 之间做出选择是一个至关重要的决定。本指南将帮助您评估每种架构的核心技术、业务和实用性方面，为您的选择提供参考。

目录

• 导言
• 指令集和微体系结构基础
• 许可模式和业务考虑因素
• 生态系统成熟度和软件支持
• 验证、合规性和互操作性
• 调试、剖析和开发工具
• 性能和能效
• 安全和功能安全
• 可扩展性、定制化和硬件加速器
• 成本、上市时间和供应链因素
• 实际应用和案例研究
• 未来路线图和建议

导言

在 ARM 和 RISC-V 之间做出选择不再仅仅是一个性能问题。它影响着许可自由度、供应链战略、安全态势和您的创新能力。本指南旨在为您提供一个平衡的视角。

• 为什么重要:ARM 主导移动和嵌入式；RISC-V 提供开放性和定制化。
• 范围:架构、生态系统就绪程度、安全性、可扩展性和部署实践。
• 观众:嵌入式设计人员、硬件架构师和业务决策者。

最后，您将有一个清晰的框架来评估哪个生态系统符合您的项目目标。

指令集和微体系结构基础

这一决定的核心在于每个平台的指令集架构（ISA）。ARM 的 RISC 系列经过数十年的完善，而 RISC-V 则从模块化、可扩展的基础开始。

• ARM:丰富的传统功能，包括 Thumb-2（16 位编码）、NEON SIMD 扩展和用于可扩展矢量工作负载的 SVE。
• RISC-V:简洁的板式设计，具有小型基础 ISA 和可选扩展（如向量、位操作、密码学）。
• 管道和内存系统:ARM 内核通常具有复杂的阶外流水线和紧密集成的高速缓存层次结构，而 RISC-V 实现的范围则从简单的微控制器到高端阶外设计不等。

如果您计划构建高性能人工智能加速器，RISC-V 的模块化允许自定义指令，但 ARM 的成熟内核可以通过优化的编译器支持提供可预测的性能。

"RISC-V方法可能会让架构师感觉很自由，但需要进行更多的验证工作，才能达到类似ARM的可靠性"。

许可模式和业务考虑因素

除技术因素外，许可也会影响总拥有成本和地缘政治风险。

• ARM 许可:通常需要架构许可证（设计定制内核）或内核许可证（集成预制内核）。
• RISC-V:ISA 是开源的，免版税，但商业内核（如 SiFive）通常会收取支持和 IP 费用。
• 出口管制:ARM IP 受管辖控制；RISC-V 减少了对供应商的锁定，但需要对专有实施的依赖性保持谨慎。

如果您的业务模式需要成本可预测性和法律简易性，ARM 的既定协议将是一个优势。对于优先考虑自由度的创新者来说，RISC-V 提供了更大的灵活性。

生态系统成熟度和软件支持

软件支持是许多嵌入式团队的决定性因素。ARM 得益于数十年的生态系统发展，而 RISC-V 近年来则缩小了很多差距。

• 编译器:GCC 和 LLVM 对这两种 ISA 都有强大的支持，不过 ARM 一般更为成熟。
• 操作系统就绪:Linux、Zephyr 和 FreeRTOS 都支持 RISC-V，但 ARM 上的驱动程序覆盖范围更广。
• 工具链:ARM 的商用工具链和中间件更为普遍。

对于时间紧迫的部署，我建议在承诺之前验证 RISC-V BSP 和中间件的成熟度。软件移植会消耗大量资源。

"编译器错误是 RISC-V 早期部署的隐性成本；强大的质量保证至关重要。

验证、合规性和互操作性

确保 ISA 合规性对于可移植性和生态系统信任至关重要。

• ARM:严格的合规计划和经过验证的正式验证流程。
• RISC-V:开放式合规套件，但由于可选扩展，存在碎片化风险。
• 互操作性:如果不小心管理，自定义扩展可能会破坏兼容性。

对于嵌入式安全系统，我建议坚持使用标准扩展，并投资 Imperas 或 OneSpin 等合规性验证工具。

调试、剖析和开发工具

您的开发体验取决于工具支持。

• ARM:丰富的 JTAG 探针生态系统（Segger、Lauterbach），强大的跟踪功能（ETM、PTM）。
• RISC-V:越来越多地支持 OpenOCD、SiFive Insight 和 Trace32。
• 仪器:ARM 内核提供成熟的性能计数器和剖析工具。

如果时间紧迫，ARM 工具可以加快开发速度；RISC-V 工具链改进很快，但可能需要额外的验证时间。

"开发人员的经验往往被忽视；投资于成熟的工具链可以省去数月的挫折"。

性能和能效

评估核心绩效和效率至关重要。

• ARM:高端 Cortex-A 内核具有出色的 DMIPS/Watt 性能；Cortex-M 在超低功耗领域表现出色。
• RISC-V:实现方式各不相同；有些可与 ARM M 级效率相媲美，有些则仍处于成熟阶段。
• 热缩放:节点越小，功率密度越大，因此需要谨慎的热管理。

根据我的经验，ARM 在高端内核的效率方面仍有优势，但 RISC-V 正在迅速缩小差距。

安全和功能安全

安全功能和认证可能是不容商量的。

• ARM:TrustZone、安全启动、加密加速和广泛的安全认证。
• RISC-V:MultiZone Security 和 CHERI 等早期工作很有前景，但不太成熟。
• 功能安全:ARM 拥有更多经过 ISO 26262 和 IEC 61508 预先认证的 IP。

在设计汽车或医疗系统时，ARM 成熟的安全产品组合仍然是更安全的选择。

可扩展性、定制化和硬件加速器

如果您的项目需要专门的工作负载，这两个生态系统都能提供可扩展性。

• ARM:用于矢量工作负载的 SVE、DSP 扩展和可选加密加速器。
• RISC-V:自定义指令和扩展，以嵌入人工智能或 DSP 加速。
• 互联标准:ARM AMBA 与 RISC-V TileLink 和 AXI 的互操作性。

如果需要为专有算法定制 ISA，RISC-V 尤其具有吸引力。

成本、上市时间和供应链因素

成本和供应链弹性往往起着决定性作用。

• ARM:前期许可费用较高，但生态系统成熟，上市时间较短。
• RISC-V:许可成本较低，但整合工作量较大，生态系统存在支离破碎的风险。
• 供应链:RISC-V 在敏感领域提供了更多的区域自主权。

如果速度是您的首要考虑因素，ARM 的参考设计可以让您节省几个月的时间。

实际应用和案例研究

ARM 仍在移动和汽车领域占据主导地位，而 RISC-V 则在物联网和人工智能加速器领域获得了发展。

• ARM:部署在全球数十亿部终端中，包括高通 Snapdragon 和恩智浦 i.MX。
• RISC-V:SiFive 内核、阿里巴巴的玄铁和西部数据的控制器。
• 地区倡议:中国、印度和欧洲在 RISC-V 主权方面投入巨资。

评估目标市场的供应商路线图和社区发展势头至关重要。

未来路线图和建议

ARM 和 RISC-V 都有雄心勃勃的路线图。

• ARM:ARMv9 引入了保密计算、增强型 SVE 和改进型人工智能加速。
• RISC-V:矢量、管理程序和安全飞地扩展迅速成熟。
• 选择技巧:使路线图的成熟度与产品生命周期和风险承受能力相匹配。

在做出决定时，请仔细权衡平台稳定性、供应链因素和长期灵活性。如需更多资源，请考虑浏览 迷你 ITX 板.