RISC-V 體系結構特點和指令集介紹

RISC-V體系結構特點和指令集介紹曾在蘋果、特斯拉、Intel、AMD等多家公司擔任高管的芯片大神JimKeller在2022年的一次演講中，宣稱處理器的未來是屬于RISC-V的。他認為，RISC-V未來將會超越現(xiàn)在的市場霸主x86與ARM。當年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科學的圣地——加州大學伯克利分校說起。2010年時，加州大學伯克利分校的KrsteAsanovic教授、AndrewWaterman和YunsupLee共同設計發(fā)明。RISC-V也得到了圖靈獎獲得者DavidA.Patterson的支持，他可是計算機體系結構的權威大佬。他們做這件事的初衷是便于開展教學工作。業(yè)界雖有成熟的x86與ARM架構，但二者的架構過于復雜，并且存在高昂的授權費用。不過這能難倒加州大學伯克利分校計算機系嗎？于是一個簡潔、開放、免費的處理器體系結構RISC-V誕生了。RISC是精簡指令集計算機（ReducedInstructionSetCompute）的縮寫，V是羅馬數(shù)字5，是第五代指令集體系結構的意思。所以它正確的讀法應該是“riskfive”。

RISC-V在教學上便利的特點，其實也迎合了業(yè)界的強烈呼喚，所以短短幾年內它就從學術走向了工業(yè)級應用。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？我們從它的體系結構來管窺一二。02后來者居上：RISC-V體系結構特點RISC-V體系結構最基礎的特點有三個——開源、精簡、模塊化。這三個特點為何如此受到業(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。這要感謝加州大學伯克利分校對計算機科學事業(yè)的慷慨貢獻。x86則是全封閉體系結構，只有Intel和AMD獨享；使用ARM則要支付昂貴的授權費，也只有實力強大的廠商才玩得起。

精簡RISC-V指令集和體系結構設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有著更強的可擴展性，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這樣的通用體系結構，RISC-V的用戶可根據(jù)業(yè)務需求（例如弱計算、低功耗場景，或者智能化、高性能計算場景等）進行定制。縱觀IT歷史發(fā)展，最初市場由“Wintel”聯(lián)盟（Windows+Intel）雙巨頭主導。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)。市場進一步開放，不再是寡頭的時代。現(xiàn)在如今，我們正在進入人工智能（AI）+物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的AIoT時代，市場將會百花齊放，那么主導者會是誰？我想那一定是盡早在RISC-V體系結構上進行布局的遠見者們。如果你不想錯失這個未來最大的市場，要穩(wěn)穩(wěn)地站在風口上，就從《RISC-V體系結構編程與實踐》這本書開始學習吧。它包含了RISC-V體系結構、指令集、內存管理、實驗環(huán)境搭建等內容，涵蓋從理論到實踐的完整過程。

點擊封面，即可購書

我們先從RISC-V最具特色的指令集體系結構說起。03理解RISC-V的語言：指令集介紹對于一臺計算機來說，最基礎的組成是什么？硬件是芯片，軟件是操作系統(tǒng)。而對于處理器架構來說，最核心的部分是指令集體系結構（InstructionSetArchitecture，ISA）。指令集是計算機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，編譯成一條條二進制指令，交由CPU來執(zhí)行，從而構成我們今天的信息世界。當前業(yè)界比較流行的指令集設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，自然就在設計之初，避免了增量式帶來的問題，采用了模塊化的設計方法。模塊化設計方法，就是設計一個最小集合和最基礎的指令集。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)應用場景，實現(xiàn)差異化的定制。它在設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的基礎上，RISC-V還定義了一級擴展指令集。芯片設計者可以根據(jù)業(yè)務需求選擇擴展指令集。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。可能你會產(chǎn)生一個疑問，學習RISC-V是不是還要先買塊開發(fā)板？那編譯、開發(fā)、調試是不是門檻很高？其實這不是必需的?！禦ISC-V體系結構編程與實踐》一書中給出了基于QEMU或者NEMU模擬器上進行實驗的方法，而且作者團隊奔跑吧Linux社區(qū)還提供了他們自研、開源的小型操作系統(tǒng)BenOS。本書對初學者相當友好，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則是由南京大學實現(xiàn)，用于教學的計算機指令集體系結構模擬器。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進行前期指令集和體系結構的模擬。我們來看一下如何在QEMU上實現(xiàn)RISC-V版的“hello,world”吧。

準備工作·

安裝了Linux操作系統(tǒng)的主機?！?/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運行大功告成！就這么簡單。05結語目前市面上主流的技術架構是終端使用ARM芯片，服務端使用x86的CPU。但這樣設計架構，企業(yè)就需要維護兩套技術體系的研發(fā)，從資源使用角度來說相當不經(jīng)濟。RISC-V讓全平臺底層技術棧的統(tǒng)