簡單就是美——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”。

所謂大道至簡，在IC設(shè)計(jì)的實(shí)際工作中， 最簡潔的設(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，無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，從幾十萬美金到百千萬美金不等。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。

RISC-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”，力圖通過架構(gòu)的定義使得硬件的實(shí)現(xiàn)足夠簡單。其簡單就是美的哲學(xué)，可以從幾個(gè)方面容易看出。

1、無病一身輕——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)， 現(xiàn)代的x86與ARM架構(gòu)的架構(gòu)文檔長達(dá)幾百數(shù)千頁，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。

那么現(xiàn)代成熟的架構(gòu)是否能夠選擇重新開始，重新定義一個(gè)簡潔的架構(gòu)呢，可以說是幾乎不可能。其中一個(gè)重要的原因便是其無法向前兼容，從而無法得到用戶的接受。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法運(yùn)行而變磚，那肯定是無法讓人接受的。

而現(xiàn)在才推出的RISC-V架構(gòu)，則具備了后發(fā)優(yōu)勢，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，多年來在不斷成熟的過程中暴露的問題都已經(jīng)被研究透徹，因此新的RISC-V架構(gòu)能夠加以規(guī)避，并且沒有背負(fù)向后兼容的歷史包袱，可以說是無病一身輕。

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)用場景，可以說是“老少咸宜”。譬如針對(duì)于小面積低功耗嵌入式場景，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。

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)目非常的簡潔?；镜腞ISC-V指令數(shù)目僅有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共幾十條指令。

RISC-V最適合的領(lǐng)域

對(duì)于一些工程團(tuán)隊(duì)而言，使用基于RISC-V的處理器實(shí)現(xiàn)定制的承諾是很有吸引力的，許多人正在使用RISC-V來取代內(nèi)部的專用加速器，這樣他們就可以利用軟件生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)镽ISC-V具有高度可擴(kuò)展性。這些加速器通常對(duì)用戶是隱藏的，而ARM內(nèi)核是暴露給軟件開發(fā)人員的。

Microsemi公司的Marena以Western Digital為例，說道：“他們想要一種特殊的總線和接口。對(duì)于他們的情況，則需要一些超出標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)的東西。處理器在很多方面都做得很好，但有些事情它們做得不太好。所以，當(dāng)你尋求特殊功能，想要下一級(jí)別的創(chuàng)新的時(shí)候，RISC-V便有了用武之地。”

在硬件安全方面也是如此。人們通常認(rèn)為開源硬件是更安全的，因?yàn)樗怯筛嗟娜藶楦嗟慕K端應(yīng)用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術(shù)官M(fèi)artin Scott表示：“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險(xiǎn)的生態(tài)系統(tǒng)，需要保護(hù)。從芯片到云，以及中間的任何地方，都存在漏洞。設(shè)計(jì)中可能存在固有漏洞，這些漏洞連接到不安全的臨時(shí)全球網(wǎng)絡(luò)和軟件棧。有很多不同的流程（包括業(yè)務(wù)流程和安全流程）都需要管理，沒有中央機(jī)構(gòu)或中央標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

斯科特說，有一些實(shí)用的方法來處理硬件安全問題，例如使用安全層。但他補(bǔ)充說，開源的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于，人們能夠共享關(guān)于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息。“我們使用RISC-V的原因是，我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和架構(gòu)本身一樣重要，因?yàn)閺呐月饭舻慕嵌葋砜矗圆煌绞酵瓿傻牡刃Чδ軐?shí)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生非常不同的安全問題?！?/p>

這正是RISC-V目前正在尋找用武之地的領(lǐng)域。ARM公司嵌入式和汽車戰(zhàn)略副總裁Tim Whitfield指出，器件正在向更異構(gòu)化的方向轉(zhuǎn)變，專用處理器也是如此?！巴ㄓ玫挠?jì)算方式會(huì)變化嗎RISC-V圍繞該答案所做的創(chuàng)新是好的。專家們一直在深度嵌入式領(lǐng)域使用RISC-V，它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務(wù)的專用內(nèi)核。這意義重大，因?yàn)槟憧梢造`活地操作架構(gòu)，去做一些瑣碎的工作，構(gòu)建接口。這是目前RISC-V非常適合的地方?！?/p>

但UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines表示，考慮到企業(yè)在代碼、指令集和架構(gòu)方面的巨額投資，RISC-V還可能通過專有架構(gòu)獲得青睞?！傲硪粋€(gè)方面是臨界質(zhì)量，開發(fā)維持低于臨界點(diǎn)（critical mass）的東西可能非常昂貴。對(duì)于像英偉達(dá)這樣的公司，他們有自己完全定制的東西，現(xiàn)在他們已經(jīng)擁有了RISC-V。他們受益于所有的工具和編譯器，這仍然是他們自己的定制，但他們只是降低了開發(fā)成本，因?yàn)樗麄兛梢岳闷渌囊磺??！?/p>

Baines說，Andes和Codasip等其他公司正在提供基于RISC-V的內(nèi)核，并且保持其業(yè)務(wù)模式不變——它們授權(quán)使用內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境，但由于他們使用通用ISA，所以它們可以利用世界其他地方的投資，達(dá)到臨界點(diǎn)（critical mass）。

基于RISC-V的處理器已經(jīng)與SoC中的ARM處理器并駕齊驅(qū)，Whitfield希望這種情況能像其他架構(gòu)一樣繼續(xù)下去?！捌渌軜?gòu)已經(jīng)存在，并將永久存在，無論是提供了人們所需要的類似的架構(gòu)靈活性的Tensilica，還是RISC-V處理器。它們都與ARM應(yīng)用處理器和ARM嵌入式處理器共存。”

Davidmann 表示，實(shí)際上，大多數(shù)不只有一個(gè)核心的SoC往往擁有較大的多核應(yīng)用處理器（如Arm或MIPS）運(yùn)行主操作系統(tǒng)，如Linux；周圍有較小的“minion”處理器（如Andes或其他RISC）運(yùn)行RTOS和其他內(nèi)核，或是裸機(jī)，以加速應(yīng)用的性能。

Whitfield補(bǔ)充道：“你必須記住RISC-V是一個(gè)架構(gòu)，到頭來就是一張紙。Andes、Codasip，以及其他公司將建立一個(gè)微架構(gòu)。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構(gòu)，還是一家IP公司和一個(gè)系統(tǒng)解決方案軟件生態(tài)系統(tǒng)。所以，我們可以共存，這是一種“贏家通吃”的死亡競賽——這絕對(duì)不是零和游戲。其他架構(gòu)一直都有空間。在有技術(shù)意義的地方，我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會(huì)有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復(fù)制同樣的優(yōu)點(diǎn)。處理器可能會(huì)有不同的未來，ARM必須開發(fā)不同的IP來填補(bǔ)這個(gè)空白?！?/p>