“大道至簡(jiǎn)——RISC-V架構(gòu)之魂”——分成上中下三篇，本文是上篇。關(guān)注文末公眾號(hào)后可查詢上中下三篇的內(nèi)容。
注意：本文中將會(huì)多次出現(xiàn)“RISC處理器”或“RISC架構(gòu)”以及“RISC-V處理器”或“RISC-V架構(gòu)”等關(guān)鍵詞。請(qǐng)初學(xué)者務(wù)必注意加以區(qū)別：
RISC表示精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。
RISC-V只是伯克利發(fā)明的一種特定指令集架構(gòu)（屬于RISC類型）。
1 簡(jiǎn)單就是美——RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)哲學(xué)
RISC-V架構(gòu)作為一種指令集架構(gòu)，在介紹細(xì)節(jié)之前，讓我們先了解設(shè)計(jì)的哲學(xué)。所謂設(shè)計(jì)的“哲學(xué)”便是其推崇的一種策略，譬如說(shuō)我們熟知的日本車的設(shè)計(jì)哲學(xué)是經(jīng)濟(jì)省油，美國(guó)車的設(shè)計(jì)哲學(xué)是霸氣外漏等。RISC-V架構(gòu)的設(shè)計(jì)哲學(xué)是什么呢？是“大道至簡(jiǎn)”。
筆者最為推崇的一種設(shè)計(jì)原則便是：簡(jiǎn)單就是美，簡(jiǎn)單便意味著可靠。無(wú)數(shù)的實(shí)際案例已經(jīng)佐證了“簡(jiǎn)單即意味著可靠的”真理，反之越復(fù)雜的機(jī)器越則越容易出錯(cuò)。
所謂大道至簡(jiǎn)，在IC設(shè)計(jì)的實(shí)際工作中，筆者曾見(jiàn)過(guò)最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全可靠，也曾見(jiàn)過(guò)最繁復(fù)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法穩(wěn)定收斂。最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)往往是最可靠的，在大多數(shù)的項(xiàng)目實(shí)踐中一次次的得到檢驗(yàn)。
IC設(shè)計(jì)的工作性質(zhì)非常特殊，其最終的產(chǎn)出是芯片，而一款芯片的設(shè)計(jì)和制造周期均很長(zhǎng)，無(wú)法像軟件代碼那樣輕易的升級(jí)和打補(bǔ)丁，每一次芯片的改版到交付都需要幾個(gè)月的周期。不僅如此，芯片的一次制造成本費(fèi)用高昂，從幾十萬(wàn)美金到百千萬(wàn)美金不等。這些特性都決定了IC設(shè)計(jì)的試錯(cuò)成本極為高昂，因此能夠有效的降低錯(cuò)誤的發(fā)生就顯得非常的重要。
現(xiàn)代的芯片設(shè)計(jì)規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜度越來(lái)越高，并不是說(shuō)要求設(shè)計(jì)者一味的逃避使用復(fù)雜的技術(shù)，而是應(yīng)該將好鋼用在刀刃上，將最復(fù)雜的設(shè)計(jì)用在最為關(guān)鍵的場(chǎng)景，在大多數(shù)有選擇的情況下，盡量選擇簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)方案。
筆者在第一次閱讀了RISC-V架構(gòu)文檔之時(shí)，不禁擊節(jié)贊嘆，拍案驚奇，因?yàn)镽ISC-V架構(gòu)在其文檔中不斷地明確強(qiáng)調(diào)，其設(shè)計(jì)哲學(xué)是“大道至簡(jiǎn)”，力圖通過(guò)架構(gòu)的定義使得硬件的實(shí)現(xiàn)足夠簡(jiǎn)單。其簡(jiǎn)單就是美的哲學(xué)，可以從幾個(gè)方面容易看出，后續(xù)小節(jié)將一一加以論述。
1.1 無(wú)病一身輕——架構(gòu)的篇幅
在處理器領(lǐng)域，目前主流的架構(gòu)為x86與ARM架構(gòu)，筆者曾經(jīng)參與設(shè)計(jì)ARM架構(gòu)的應(yīng)用處理器，因此需要閱讀ARM的架構(gòu)文檔，如果對(duì)其熟悉的讀者應(yīng)該了解其篇幅。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的x86與ARM架構(gòu)的架構(gòu)文檔長(zhǎng)達(dá)幾百數(shù)千頁(yè)。打印出來(lái)能有半個(gè)桌子高，可真是“著作等身”。
之所以現(xiàn)代x86與ARM架構(gòu)的文檔長(zhǎng)達(dá)數(shù)千頁(yè)，且版本眾多，一個(gè)主要的原因是因?yàn)槠浼軜?gòu)的發(fā)展的過(guò)程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟。
并且作為商用的架構(gòu)，為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性，其不得不保留許多過(guò)時(shí)的定義，或者在定義新的架構(gòu)部分時(shí)為了能夠?qū)⒕鸵呀?jīng)存在的技術(shù)部分而顯得非常的別扭。久而久之就變得極為冗長(zhǎng)。
那么現(xiàn)代成熟的架構(gòu)是否能夠選擇重新開(kāi)始，重新定義一個(gè)簡(jiǎn)潔的架構(gòu)呢，可以說(shuō)是幾乎不可能。其中一個(gè)重要的原因便是其無(wú)法向前兼容，從而無(wú)法得到用戶的接受。試想一下如果我們買了一款新的搭配新的處理器的電腦或者手機(jī)回家，之前所有的軟件都無(wú)法運(yùn)行而變磚，那肯定是無(wú)法讓人接受的。
而現(xiàn)在才推出的RISC-V架構(gòu)，則具備了后發(fā)優(yōu)勢(shì)，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，多年來(lái)在不斷成熟的過(guò)程中暴露的問(wèn)題都已經(jīng)被研究透徹，因此新的RISC-V架構(gòu)能夠加以規(guī)避，并且沒(méi)有背負(fù)向后兼容的歷史包袱，可以說(shuō)是無(wú)病一身輕。
目前的“RISC-V架構(gòu)文檔”分為“指令集文檔”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特權(quán)架構(gòu)文檔”（riscv-privileged-v1.10.pdf）。“指令集文檔”的篇幅為145頁(yè)，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁(yè)。熟悉體系結(jié)構(gòu)的工程師僅需一至兩天便可將其通讀，雖然“RISC-V的架構(gòu)文檔”還在不斷地豐富，但是相比“x86的架構(gòu)文檔”與“ARM的架構(gòu)文檔”，RISC-V的篇幅可以說(shuō)是極其短小精悍。
感興趣的讀者可以在RISC-V基金會(huì)的網(wǎng)站上（https://riscv.org/specifications/）無(wú)需注冊(cè)便可免費(fèi)下載其文檔，如圖1所示。
這里寫圖片描述
1.2 能屈能伸——模塊化的指令集
RISC-V架構(gòu)相比其他成熟的商業(yè)架構(gòu)的最大一個(gè)不同還在于它是一個(gè)模塊化的架構(gòu)。因此，RISC-V架構(gòu)不僅短小精悍，而且其不同的部分還能以模塊化的方式組織在一起，從而試圖通過(guò)一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用。
這種模塊化是x86與ARM架構(gòu)所不具備的。以ARM的架構(gòu)為例，ARM的架構(gòu)分為A、R和M三個(gè)系列，分別針對(duì)于Application（應(yīng)用操作系統(tǒng)）、Real-Time（實(shí)時(shí)）和Embedded（嵌入式）三個(gè)領(lǐng)域，彼此之間并不兼容。
但是模塊化的RISC-V架構(gòu)能夠使得用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可以說(shuō)是“老少咸宜”。譬如針對(duì)于小面積低功耗嵌入式場(chǎng)景，用戶可以選擇RV32IC組合的指令集，僅使用Machine Mode（機(jī)器模式）；而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場(chǎng)景則可以選擇譬如RV32IMFDC的指令集，使用Machine Mode（機(jī)器模式）與User Mode（用戶模式）兩種模式。而他們共同的部分則可以相互兼容。
1.3 濃縮的都是精華——指令的數(shù)量
短小精悍的架構(gòu)以及模塊化的哲學(xué)，使得RISC-V架構(gòu)的指令數(shù)目非常的簡(jiǎn)潔。基本的RISC-V指令數(shù)目?jī)H有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令。
2 RISC-V指令集架構(gòu)簡(jiǎn)介
本章將對(duì)RISC-V的指令集架構(gòu)多方面的特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
2.1 模塊化的指令子集
RISC-V的指令集使用模塊化的方式進(jìn)行組織，每一個(gè)模塊使用一個(gè)英文字母來(lái)表示。RISC-V最基本也是唯一強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)的指令集部分是由I字母表示的基本整數(shù)指令子集，使用該整數(shù)指令子集，便能夠?qū)崿F(xiàn)完整的軟件編譯器。其他的指令子集部分均為可選的模塊，具有代表性的模塊包括M/A/F/D/C，如表1所示。
表1 RISC-V的模塊化指令集
這里寫圖片描述
為了提高代碼密度，RISC-V架構(gòu)也提供可選的“壓縮”指令子集，由英文字母C表示。壓縮指令的指令編碼長(zhǎng)度為16比特，而普通的非壓縮指令的長(zhǎng)度為32比特。以上這些模塊的一個(gè)特定組合“IMAFD”，也被稱為“通用”組合，由英文字母G表示。因此RV32G表示RV32IMAFD，同理RV64G表示RV64IMAFD。
為了進(jìn)一步減少面積，RISC-V架構(gòu)還提供一種“嵌入式”架構(gòu)，由英文字母E表示。該架構(gòu)主要用于追求極低面積與功耗的深嵌入式場(chǎng)景。該架構(gòu)僅需要支持16個(gè)通用整數(shù)寄存器，而非嵌入式的普通架構(gòu)則需要支持32個(gè)通用整數(shù)寄存器。
通過(guò)以上的模塊化指令集，能夠選擇不同的組合來(lái)滿足不同的應(yīng)用。譬如，追求小面積低功耗的嵌入式場(chǎng)景可以選擇使用RV32EC架構(gòu)；而大型的64位架構(gòu)則可以選擇RV64G。
除了上述的模塊，還有若干的模塊包括L、B、P、V和T等。這些擴(kuò)展目前大多數(shù)還在不斷完善和定義中，尚未最終確定，因此本文在此不做詳細(xì)論述。
2.2 可配置的通用寄存器組
RISC-V架構(gòu)支持32位或者64位的架構(gòu)，32位架構(gòu)由RV32表示，其每個(gè)通用寄存器的寬度為32比特；64位架構(gòu)由RV64表示，其每個(gè)通用寄存器的寬度為64比特。
RISC-V架構(gòu)的整數(shù)通用寄存器組，包含32個(gè)（I架構(gòu)）或者16個(gè)（E架構(gòu)）通用整數(shù)寄存器，其中整數(shù)寄存器0被預(yù)留為常數(shù)0，其他的31個(gè)（I架構(gòu)）或者15個(gè)（E架構(gòu)）為普通的通用整數(shù)寄存器。
如果使用了浮點(diǎn)模塊（F或者D），則需要另外一個(gè)獨(dú)立的浮點(diǎn)寄存器組，包含32個(gè)通用浮點(diǎn)寄存器。如果僅使用F模塊的浮點(diǎn)指令子集，則每個(gè)通用浮點(diǎn)寄存器的寬度為32比特；如果使用了D模塊的浮點(diǎn)指令子集，則每個(gè)通用浮點(diǎn)寄存器的寬度為64比特。