从Intel做了个RISC-V处理器谈起( 二 ) 前言近日从Intel传来消息

2.“软”之殇——软核处理器一直不尴不尬的原因
软核处理器虽然出现比较久，但其一直处于不尴不尬的地位。究其原因无非性能、生态两部分的因素。
首先说性能，软核处理器是依靠FPGA内部资源构造的，以查找表、嵌入式乘法器、可编程互连线注定无法构造出高性能的处理器。如果对于处理器微架构本身不加以优化，即使在“高端”FPGA中也只能跑到不足100Mhz的时钟频率。在进行了深度优化以后，这个频率大概能到150Mhz-200Mhz ，而在添加了外设以后再进行整体的布局布线，时钟频率很可能又掉下去了。
其实跑到100Mhz出头这样一个频率确实相当的尴尬。如果当MCU用呢，这个频率应该是够了。但问题是我换一块小容量点的FPGA然后再把节约出来的钱额外买一个便宜的MCU不行吗？如果是把软核处理器真的当“处理器”看，这点性能又真的有点“不够看”的。当年笔者在参加Altera金牌讲师培训的时候就这个问题和Altera的AE深入讨论过， AE给的答复是“不要为了用软核而去用软核” ，这实际上还是没有真正回答问题。
面对性能不足的情况， Altera采取的办法是不断去加强和优化，但是FPGA本身的结构决定了再怎么优化其性能上限也是有限的。而让软核“多核化”更是有点“缘木求鱼”的意思。而Xilinx仿佛要更加“硬派”一些，对于性能不足的情况Xilinx给的办法就是“上硬核” 。只是Xilinx早期一直受通信行业影响太深，使用的硬核是在通信行业很流行但在别的行业比较“非主流”的PowerPC 。而直到Xilinx“想通了”开始集成Arm处理器以后，整个处理器+FPGA软硬件融合的市场才被引爆。
和性能不足相对，生态太差是导致软核处理器一直不火的另外一个推手。其实但凡涉及到处理器必谈生态。因为处理器不是普通的数字逻辑电路，没有整个软件工具链为核心的生态环境支撑，处理器是搞不起来的。无论是Nios II还是MicroBlaze ，其本质都是在“自建生态” 。那也必然是要面临生态竞争的问题。随着Arm在嵌入式领域的一家独大，类似MIPS这样的专业处理器公司都被竞争下去了，更何况两大FPGA公司这样的兼职玩家。
生态不行就意味着使用的人少，意味着提出的问题找不到人讨论，意味着没有很多现成的案例可以参考、学习、移植。这反过来又导致用的人更少。虽然软核属于“深度嵌入”应用，一般是程序开发者直面硬件进行编程，软件栈的深度浅。但这样一样要遇到以上问题。这就是在很多情况下，如果有的选择开发者宁愿在FPGA外面外挂一个小封装的单片机来完成软核的功能，也尽量少去碰软核。因为使用软核来进行开发的经历实在是让人感觉太难受了。
3.路在何方——Intel开发RISC-V指令集软核处理器的原因浅析
其实在两年前我就写过一篇讨论RISC-V目前适合的市场的文章：
其中提出“用户不可见处理器”市场是RISC-V必然会占领，而且Arm没有什么优势的市场。其中也举例说明了NVIDIA要用基于RISC-V的处理器替代的原来自有指令的Falcon 。其实FPGA中的软核是非常符合“用户不可见处理器”这个场景的。软核本身就是FPGA中替代复杂状态机而存在的，运行预先设定好的软件，一般情况下不需要用户对其编程。因此做RISC-V指令集的软核处理器从市场层面是可行的。
从技术层面说， RISC-V指令集采用了结构化的指令集定义方式。其特点是非常方便的实现指令的裁剪核扩展。而FPGA恰恰就是一个非常适合于指令集裁剪/扩展的领域。由于FPGA的可编程特性，使用足够的资源就可以搭建出实现任意指令的软核处理器。而FPGA针对不同应用的定制性很强，对于指令的需求其实不是那么的大而全。针对特定的应用，定制合适的指令，最终以最小的额外开销实现了辅助功能。这才是软核处理器真正正确的用途。Nios II系列原本是有很好的指令定制的机制的，但在过去一直没有发挥出应有的效果。而这一次Nios V的发布有望结合RISC-V指令集特有的技术优势在这一点上实现突破。