RISC-V 體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和指令集介紹

RISC-V體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和指令集介紹曾在蘋果、特斯拉、Intel、AMD等多家公司擔(dān)任高管的芯片大神JimKeller在2022年的一次演講中，宣稱處理器的未來是屬于RISC-V的。他認(rèn)為，RISC-V未來將會超越現(xiàn)在的市場霸主x86與ARM。當(dāng)年AMD能先于Intel推出劃時代的64位x86處理器，就是JimKeller的功勞。JimKeller后來把硅谷的大廠轉(zhuǎn)了個遍，每到一處必推出震動業(yè)界的處理器產(chǎn)品。能被芯片大神看好的RISC-V，究竟是何方神圣？01RISC-V的緣起此事要從計算機(jī)科學(xué)的圣地——加州大學(xué)伯克利分校說起。2010年時，加州大學(xué)伯克利分校的KrsteAsanovic教授、AndrewWaterman和YunsupLee共同設(shè)計發(fā)明。RISC-V也得到了圖靈獎獲得者DavidA.Patterson的支持，他可是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的權(quán)威大佬。他們做這件事的初衷是便于開展教學(xué)工作。業(yè)界雖有成熟的x86與ARM架構(gòu)，但二者的架構(gòu)過于復(fù)雜，并且存在高昂的授權(quán)費(fèi)用。不過這能難倒加州大學(xué)伯克利分校計算機(jī)系嗎？于是一個簡潔、開放、免費(fèi)的處理器體系結(jié)構(gòu)RISC-V誕生了。RISC是精簡指令集計算機(jī)（ReducedInstructionSetCompute）的縮寫，V是羅馬數(shù)字5，是第五代指令集體系結(jié)構(gòu)的意思。所以它正確的讀法應(yīng)該是“riskfive”。

RISC-V在教學(xué)上便利的特點(diǎn)，其實也迎合了業(yè)界的強(qiáng)烈呼喚，所以短短幾年內(nèi)它就從學(xué)術(shù)走向了工業(yè)級應(yīng)用。尤其是在2022年，RISC-V概念引爆市場，這一年也稱為RISC-V的元年。展望未來，RISC-V攻城略地的本錢是什么？我們從它的體系結(jié)構(gòu)來管窺一二。02后來者居上：RISC-V體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RISC-V體系結(jié)構(gòu)最基礎(chǔ)的特點(diǎn)有三個——開源、精簡、模塊化。這三個特點(diǎn)為何如此受到業(yè)界青睞？通過與x86、ARM的對比最容易說清楚問題。

開源RISC-V采用BSD開源協(xié)議，既不會受到單一商業(yè)體的控制，也不會有商業(yè)上的糾紛，有利于大規(guī)模推廣。這要感謝加州大學(xué)伯克利分校對計算機(jī)科學(xué)事業(yè)的慷慨貢獻(xiàn)。x86則是全封閉體系結(jié)構(gòu)，只有Intel和AMD獨(dú)享；使用ARM則要支付昂貴的授權(quán)費(fèi)，也只有實力強(qiáng)大的廠商才玩得起。

精簡RISC-V指令集和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計說明文檔只有幾百頁，而有些商業(yè)芯片則有數(shù)萬頁的文檔。這說明RISC-V有著更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，這也是后發(fā)者的優(yōu)勢，可以摒棄掉很多繁雜冗余的設(shè)計，保留最實用的部分。

模塊化不同于x86與ARM這樣的通用體系結(jié)構(gòu)，RISC-V的用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)需求（例如弱計算、低功耗場景，或者智能化、高性能計算場景等）進(jìn)行定制?？v觀IT歷史發(fā)展，最初市場由“Wintel”聯(lián)盟（Windows+Intel）雙巨頭主導(dǎo)。Intel發(fā)布一款新處理器，微軟就會升級軟件把芯片的性能吃掉，行業(yè)大部分利潤也就被如此收割。隨后移動互聯(lián)網(wǎng)的崛起，主導(dǎo)者變?yōu)榱恕癆AA”（ARM、Android、Apple）。以谷歌為代表的互聯(lián)網(wǎng)公司興起，依托于Linux這樣的開源軟件，他們擺脫了微軟的控制。ARM的授權(quán)生產(chǎn)模式，又孕育出了不少像高通這樣成功的芯片制造企業(yè)。市場進(jìn)一步開放，不再是寡頭的時代?，F(xiàn)在如今，我們正在進(jìn)入人工智能（AI）+物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的AIoT時代，市場將會百花齊放，那么主導(dǎo)者會是誰？我想那一定是盡早在RISC-V體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行布局的遠(yuǎn)見者們。如果你不想錯失這個未來最大的市場，要穩(wěn)穩(wěn)地站在風(fēng)口上，就從《RISC-V體系結(jié)構(gòu)編程與實踐》這本書開始學(xué)習(xí)吧。它包含了RISC-V體系結(jié)構(gòu)、指令集、內(nèi)存管理、實驗環(huán)境搭建等內(nèi)容，涵蓋從理論到實踐的完整過程。

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我們先從RISC-V最具特色的指令集體系結(jié)構(gòu)說起。03理解RISC-V的語言：指令集介紹對于一臺計算機(jī)來說，最基礎(chǔ)的組成是什么？硬件是芯片，軟件是操作系統(tǒng)。而對于處理器架構(gòu)來說，最核心的部分是指令集體系結(jié)構(gòu)（InstructionSetArchitecture，ISA）。指令集是計算機(jī)硬件與軟件真正的交界處。它以指令的形式，定義了CPU可對外提供的操作，就像是CPU的語言；而CPU的執(zhí)行又依賴外界向它輸入的指令。再龐大的軟件也是由文本形式的源代碼，編譯成一條條二進(jìn)制指令，交由CPU來執(zhí)行，從而構(gòu)成我們今天的信息世界。當(dāng)前業(yè)界比較流行的指令集設(shè)計采用的是增量式方法，即增加新指令時，要做到保持向后二進(jìn)制兼容。這看起來似乎沒什么問題，但已經(jīng)被棄用甚至是存在錯誤的舊有指令也要一并保留下來，這就會造成指令集無謂的龐大，變得臃腫、冗雜。作為后發(fā)者的RISC-V，自然就在設(shè)計之初，避免了增量式帶來的問題，采用了模塊化的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計方法，就是設(shè)計一個最小集合和最基礎(chǔ)的指令集。最小指令集可以完整地實現(xiàn)一個軟件棧，其他特殊功能的指令集可以在最小指令集的基礎(chǔ)上，通過模塊化的方式疊加實現(xiàn)。這也就是為什么RISC-V可以根據(jù)應(yīng)用場景，實現(xiàn)差異化的定制。它在設(shè)計原則上就避開了攤大餅式的增量陷阱，而采用了搭樂高式的靈活拼裝方式。RISC-V針對32位處理器的最小指令集是RV32I，針對64位的是RV64I。在RV32I和RV64I的基礎(chǔ)上，RISC-V還定義了一級擴(kuò)展指令集。芯片設(shè)計者可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇擴(kuò)展指令集。具體描述如下表所示：04輕松上手：搭建實驗環(huán)境要想從入門到不放棄，動手實際體驗是必不可少的?？赡苣銜a(chǎn)生一個疑問，學(xué)習(xí)RISC-V是不是還要先買塊開發(fā)板？那編譯、開發(fā)、調(diào)試是不是門檻很高？其實這不是必需的。《RISC-V體系結(jié)構(gòu)編程與實踐》一書中給出了基于QEMU或者NEMU模擬器上進(jìn)行實驗的方法，而且作者團(tuán)隊奔跑吧Linux社區(qū)還提供了他們自研、開源的小型操作系統(tǒng)BenOS。本書對初學(xué)者相當(dāng)友好，可以說是“傻瓜式”的開局。QEMU是使用最廣泛的開源虛擬機(jī)軟件，也是做系統(tǒng)底層開發(fā)和嵌入式開發(fā)的必備神器。NEMU則是由南京大學(xué)實現(xiàn)，用于教學(xué)的計算機(jī)指令集體系結(jié)構(gòu)模擬器。由中科院牽頭研發(fā)出的香山高性能RISC-V處理器，就使用了NEMU進(jìn)行前期指令集和體系結(jié)構(gòu)的模擬。我們來看一下如何在QEMU上實現(xiàn)RISC-V版的“hello,world”吧。

準(zhǔn)備工作·

安裝了Linux操作系統(tǒng)的主機(jī)?！?/p>

從GitHub下載BenOS源碼。/runninglinuxkernel/BenOS·

在Linux上安裝下列工具：qemu-system-misc、libncurses5-dev、gcc-riscv64-linux-gnu、build-essential、git、bison、flex、libssl-dev。編譯BenOS運(yùn)行大功告成！就這么簡單。05結(jié)語目前市面上主流的技術(shù)架構(gòu)是終端使用ARM芯片，服務(wù)端使用x86的CPU。但這樣設(shè)計架構(gòu)，企業(yè)就需要維護(hù)兩套技術(shù)體系的研發(fā)，從資源使用角度來說相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)。RISC-V讓全平臺底層技術(shù)棧的統(tǒng)