ARM و AVR دیگر تنها نیستند: آشنایی با RISC-V، معماری که دارد دنیای میکروها را فتح می‌کند.

در دنیای میکروکنترلرها، مدت‌ها بود که نام‌های آشنایی مانند AVR و ARM حکمرانی می‌کردند. این معماری‌ها که سال‌ها استانداردهای صنعت را تعیین کرده‌اند، اکنون با یک رقیب جدی و متفاوت روبرو شده‌اند: RISC-V. برخلاف غول‌های پیشین که طراحی‌شان اختصاصی (Proprietary) است، RISC-V یک معماری باز و آزاد (Open Standard) است که دارد به سرعت جای پای خود را در بازار سفت می‌کند .

در این نوشته قصد داریم به طور کامل به دنیای میکروکنترلرهای RISC-V سفر کنیم. از مقایسه‌ی آن با AVR و ARM گرفته، تا بررسی نقش آن در تراشه‌های محبوب ESP32، و معرفی شرکت‌ها و محصولاتی که این معماری را به خانه‌ی هر علاقه‌مندی آورده‌اند.

RISC-V در یک نگاه

RISC-V بر اساس اصول “رایانه با مجموعه دستورات کاهش یافته” (RISC) طراحی شده است. یعنی مجموعه دستورات پایه‌ای بسیار کوچک و بهینه دارد (حدود ۴۷ دستور) که می‌توان با افزودن افزونه‌های مختلف (مانند M برای ضرب و تقسیم، F برای اعداد اعشاری، یا C برای فشرده‌سازی دستورات) آن را برای کاربردهای خاص گسترش داد. این ماژولار بودن، بزرگترین نقطه قوت آن است .

اما مهم‌ترین تفاوت RISC-V با دیگران، رایگان و متن‌باز بودن آن است. معماری آن متعلق به هیچ شرکت خاصی نیست و هر کسی می‌تواند بدون پرداخت هزینه‌ی سنگین لایسنس، یک پردازنده بر اساس آن طراحی کند .

میدان نبرد: RISC-V در مقابل ARM در مقابل AVR

برای درک بهتر جایگاه RISC-V، بیایید آن را با دو غول سنتی دنیای میکروکنترلرها مقایسه کنیم: AVR (که در آردوینوهای کلاسیک می‌بینیم) و ARM (که در STM32ها و بسیاری از میکروهای مدرن استفاده می‌شود).

همانطور که در جدول مشخص است، ARM همچنان پادشاه بلامنازع اکوسیستم و تنوع محصولات است و AVR نیز به دلیل سادگی و جامعه کاربری آردوینو، جایگاه خود را حفظ کرده است . اما RISC-V با حذف هزینه‌های لایسنس و ارائه آزادی عمل کامل به طراحان، توانسته است توجه بسیاری از شرکت‌ها و علاقه‌مندان را جلب کند.

نقطه عطف: حضور RISC-V در تراشه‌های ESP32

اگر بخواهیم یک مثال عینی و محبوب از موفقیت RISC-V در بازار را نام ببریم، باید به سری ESP32-C شرکت اسپرسیف (Espressif) اشاره کنیم. اسپرسیف که سال‌ها با هسته‌های اختصاصی Xtensa خود در سری ESP32 و ESP8266 شناخته می‌شد، در محصولات جدید خود مانند ESP32-C3 و ESP32-C6 از هسته‌ی RISC-V استفاده کرده است .

چرا اسپرسیف به RISC-V مهاجرت کرد؟ دلایل اصلی، کاهش هزینه‌ها، استقلال بیشتر از فروشندگان IP، و انعطاف‌پذیری در طراحی بود. استفاده از RISC-V به اسپرسیف اجازه داد تا تراشه‌ای کم‌مصرف‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر نسبت به برخی مدل‌های Xtensa خود طراحی کند.

به عنوان مثال، ESP32-C3 یک میکروکنترلر ۳۲-بیتی تک‌هسته‌ای با فرکانس ۱۶۰ مگاهرتز، ۴۰۰ کیلوبایت SRAM و پشتیبانی از Wi-Fi و بلوتوث ۵ (LE) است . نکته جالب اینجاست که اگرچه هسته تغییر کرده، اما اکوسیستم توسعه‌ی اسپرسیف یعنی ESP-IDF همچنان تقریباً به همان شکل باقی مانده است. این یعنی یک توسعه‌دهنده می‌تواند به راحتی با همان زبان‌ها و ابزارهای قبلی، برای ESP32-C3 کدنویسی کند و تنها با تغییر معماری هسته، از مزایای آن بهره‌مند شود .

مزایای قانع‌کننده RISC-V

چرا باید یک شرکت یا یک توسعه‌دهنده به RISC-V توجه کند؟ دلایل متعددی وجود دارد:

1. کاهش هزینه‌ها (Cost Reduction): نبود هزینه‌های لایسنس، قیمت تمام‌شده‌ی میکروکنترلرها را به شدت کاهش می‌دهد. تخمین زده می‌شود که هزینه‌ی یک هسته‌ی ۳۲-بیتی RISC-V می‌تواند تا ۳۰ دلار آمریکا کمتر از نمونه‌های ARM باشد و قیمت نهایی محصول را تا ۱۲٪ کاهش دهد .
2. آزادی و استقلال (Freedom): شرکت‌ها می‌توانند هسته‌ی پردازنده را دقیقاً مطابق نیاز خود تغییر دهند. اگر یک شرکت به یک دستور خاص برای پردازش سیگنال یا هوش مصنوعی نیاز داشته باشد، می‌تواند آن را به معماری اضافه کند. این امکان در ARM وجود ندارد .
3. انعطاف‌پذیری و بهینه‌سازی (Flexibility): به لطف معماری ماژولار، می‌توان یک میکروکنترلر را فقط با امکانات مورد نیاز یک پروژه خاص ساخت و از بخش‌های اضافی صرف‌نظر کرد. این یعنی تراشه‌ای کوچک‌تر، کم‌مصرف‌تر و ارزان‌تر .
4. امنیت (Security): متن‌باز بودن معماری به محققان امنیتی اجازه می‌دهد تا آن را به دقت بررسی کرده و آسیب‌پذیری‌ها را کشف و رفع کنند. همچنین افزونه‌هایی مانند CHERI برای امنیت حافظه در حال توسعه هستند .
5. حفظ نیروی کار (Talent Pipeline): دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی می‌توانند بدون دغدغه‌های قانونی، معماری RISC-V را به دانشجویان آموزش داده و حتی روی آن تحقیق و توسعه انجام دهند. این باعث تربیت نیروهای متخصص برای صنعت می‌شود .

ابزارهای توسعه: با چه زبان‌ها و کامپایلرهایی؟

نگران نباشید! برای برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای RISC-V نیازی به یادگیری یک زبان جدید از صفر نیست. خوشبختانه، پشتیبانی نرم‌افزاری برای این معماری به سرعت در حال بلوغ است.

• زبان‌های برنامه‌نویسی:
  • C و C++ : زبان‌های اصلی و اولیه برای توسعه بر روی RISC-V هستند و اکثر SDKها و کتابخانه‌ها به این زبان‌ها نوشته شده‌اند .
  • زبان‌های دیگر: به تازگی شاهد تلاش‌هایی برای پشتیبانی از زبان‌های سطح بالا هستیم. برای مثال، یک پروژه منبع‌باز (Embedded Swift) نشان داده است که می‌توان از زبان سوئیفت (Swift) به صورت خالی و بدون سیستم‌عامل روی تراشه‌ای مانند ESP32-C6 استفاده کرد .
• کامپایلرها و IDEها:
  • GCC برای RISC-V: مهم‌ترین و رایج‌ترین کامپایلر که توسط خود جامعه RISC-V پشتیبانی می‌شود. تقریباً تمام شرکت‌ها از جمله رنساس (Renesas) از آن در محیط‌های توسعه خود بهره می‌برند .
  • LLVM/Clang: پشتیبانی خوبی از RISC-V دارد و توسط شرکت‌هایی مانند رنساس برای محیط توسعه e² studio خود ارائه می‌شود .
  • ESP-IDF: چارچوب توسعه رسمی اسپرسیف برای تراشه‌های ESP32، شامل پشتیبانی کامل از GCC برای RISC-V است. بنابراین اگر با ESP32 کار کرده باشید، منحنی یادگیری برای کار با ESP32-C3 بسیار کم خواهد بود .
  • محیط‌های دیگر: IDEهای محبوبی نظیر Eclipse و SiFive Freedom Studio نیز پشتیبانی خوبی از توسعه بر روی RISC-V دارند .

بازیگران اصلی: چه شرکت‌هایی از RISC-V استفاده می‌کنند؟

تعداد شرکت‌هایی که به RISC-V پیوسته‌اند، روز به روز در حال افزایش است. این شرکت‌ها در دو دسته کلی قرار می‌گیرند: تولیدکنندگان هسته (IP) و تولیدکنندگان تراشه (MCU) .

تولیدکنندگان هسته (IP Providers):

• SiFive: یکی از پیشگامان و بنیانگذاران اصلی RISC-V که هسته‌های متنوعی برای کاربردهای مختلف از IoT تا محاسبات پیشرفته ارائه می‌دهد .
• اندز تکنولوژی (Andes Technology): یکی از بزرگترین و موفق‌ترین فروشندگان IP RISC-V با سهم قابل توجهی از بازار و محصولات متنوع .
• (Nuclei System Technology): یک شرکت چینی که هسته‌های RISC-V محبوبی را برای میکروکنترلرهای (GD32) و دیگران توسعه داده است .

تولیدکنندگان میکروکنترلر (MCU Manufacturers):

• اسپرسیف (Espressif): با سری ESP32-C3، ESP32-C6 و ESP32-P4 .
• رنساس (Renesas): یکی از غول‌های سنتی بازار میکروکنترلرها، با محصولات سری R9A02G021 (MCU) و RZ/Five (MPU) .
• (GigaDevice): اولین میکروکنترلر تجاری RISC-V را با سری GD32VF103 به بازار عرضه کرد .
• هایسیلیکون (HiSilicon – وابسته به هواوی): با معرفی تراشه‌های Hi3066M و Hi3065P برای کاربردهای هوش مصنوعی و IoT .
• رزبری‌پای (Raspberry Pi): در جدیدترین میکروکنترلر خود یعنی RP2350 (مورد استفاده در Raspberry Pi Pico 2) از دو هسته‌ی RISC-V به همراه هسته‌های ARM استفاده کرده است .

محبوب‌های بازار: کدام میکروکنترلرهای RISC-V معروف‌ترند؟

اگر به عنوان یک توسعه‌دهنده یا علاقه‌مند به دنبال شروع کار با RISC-V هستید، این گزینه‌ها در حال حاضر از محبوبیت بیشتری برخوردارند:

1. ESP32-C3 (اسپرسیف): به دلیل قیمت پایین، وجود وای‌فای و بلوتوث داخلی، و پشتیبانی عالی در ESP-IDF و حتی آردوینو، محبوب‌ترین گزینه برای ورود به دنیای RISC-V است. پیدا کردن بردهای توسعه‌ی ارزان و فراوان برای آن بسیار آسان است .
2. CH32V003 (WCH): این میکروکنترلر به دلیل قیمت فوق‌العاده پایین (حتی کمتر از بسیاری از AVRهای ۸-بیت!) و عملکرد قابل قبول، سر و صدای زیادی به پا کرده است. گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های صنعتی و آموزشی با بودجه محدود است .
3. GD32VF103 : به عنوان یکی از اولین‌ها، جامعه کاربری و پشتیبانی نرم‌افزاری خوبی دارد و از نظر عملکرد با بسیاری از ARM‌های هم‌رده رقابت می‌کند .
4. Raspberry Pi Pico 2 (با هسته‌ی RISC-V): با توجه به محبوبیت فوق‌العاده‌ی Pico و Pico W، ورود نسخه‌ی دوم با پشتیبان از RISC-V می‌تواند تحول بزرگی ایجاد کند و میلیون‌ها توسعه‌دهنده را با این معماری آشنا کند .

جمع‌بندی

RISC-V دیگر یک فناوری آزمایشی نیست؛ این یک تحول بنیادین در صنعت نیمه‌هادی‌ها است. اگرچه اکوسیستم آن هنوز به بلوغ و وسعت ARM نرسیده، اما سرعت رشد آن حیرت‌انگیز است. این معماری با حذف هزینه‌ها و ایجاد آزادی عمل، فرصت‌های بی‌نظیری برای نوآوری فراهم کرده است.

برای یک توسعه‌دهنده یا شرکت، امروز بهترین زمان برای شروع آشنایی با RISC-V است. ابزارها به اندازه‌ی کافی بالغ هستند، جامعه کاربری در حال شکل‌گیری است و گزینه‌های سخت‌افزاری جذاب و مقرون‌به‌صرفه‌ای مانند ESP32-C3 در دسترس هستند. به نظر من، آینده‌ی محاسبات نه تنها توسط ARM، که توسط یک اکوسیستم متنوع و رقابتی که RISC-V در قلب آن قرار دارد، ساخته خواهد شد.