什么是RISC-V，RISC-V與其他ISA有何不同？

? ? ? 通常，我們更喜歡把臺式機/筆記本電腦的復雜指令集叫做CISC，把智能手機的精簡指令集叫做RISC。戴爾和蘋果等 OEM 一直在其筆記本電腦中使用 x86 CISC 處理器。讓我在這里解釋筆記本電腦的設計方法。主板以多核CISC處理器為主要部件，連接GPU、RAM、存儲內存等子系統(tǒng)和I/O接口。操作系統(tǒng)在多核處理器上并行運行多個應用程序，管理內存分配和 I/O 操作。 ? ? ?

這就是我們使用處理器實現任何電子系統(tǒng)的方式。然而，我們更喜歡使用 RISC 處理器的智能手機系統(tǒng)級芯片，因為它有助于我們減小主板的尺寸和功耗。幾乎整個具有多核 RISC CPU、GPU、DSP、無線和接口子系統(tǒng)、SRAM、閃存和 IP 的系統(tǒng)都在 SoC 上實現。OEM Apple 正在遵循這款智能手機的 SoC 設計方法，甚至將他們的 MAC 筆記本作為 OEM 潮流引領者。所有最新的 MAC 書籍都使用他們的 M 系列 SoC，這些 SoC 使用 ARM 的 RISC 處理器。

? 因此，很明顯，英特爾的 x86 或 ARM 的 RISC 處理器的專有 ISA 一直是 Apple、戴爾、三星等 OEM 的選擇，但現在為什么我們需要像 RISC-V 這樣的開放 ISA，而不是所有這些經過充分驗證的ISA。

? 在今天的情況下，每個人都將 SoC 用于他們的筆記本電腦和智能手機。這種復雜的 SoC 需要通用處理器和專用處理器。為了實現像 Apple 的 M 系列 SoC 這樣的芯片，我們需要不同種類的處理器，如 RISC CPU、GPU、DSP、安全處理器、圖像處理器、機器學習加速器、安全和神經引擎，基于來自多個 IP 的各種通用和專用 ISA供應商，如圖1所示。 ?

圖 1：Apple M1 SoC 參考：AnandTech ?

在這種情況下，主要挑戰(zhàn)是： ? 1.選擇并與多家 IP 供應商合作 ? 2.不同的 IP 供應商可能有不同的 IP 許可方案，工程師將無法自由地定制 ISA 和設計，因為他們更愿意滿足他們的設計目標。 ? 3.所有專門的 ISA 都不會持續(xù)/生存很長時間，從而影響長期產品支持計劃和路線圖。 ? 4.此外，涉及多個 ISA 和工具鏈的軟件/應用程序開發(fā)和更新將具有挑戰(zhàn)性。 ? RISC-V 是一種具有多種擴展功能的通用免許可開放式 ISA。它是一個 ISA，分為一個小的基本整數 ISA，可用作定制加速器和可選標準擴展的基礎，以支持通用軟件開發(fā)。 ? 您可以添加自己的擴展來實現您的專用處理器，或者根據需要自定義基本 ISA，因為它是開放的。沒有許可證限制。因此，在未來，我們可以僅使用一個 RISC-V ISA 創(chuàng)建所有通用和專用處理器，并實現任何復雜的 SoC。 ?

什么是 RISC-V，它與其他 ISA 有何不同？

RISC-V 是加州大學伯克利分校的第五個主要 ISA 設計。它是由非營利組織 RISC-V International維護的開放式 ISA，涉及所有利益相關者社區(qū)以實施和維護 ISA 規(guī)范、黃金參考模型和合規(guī)性測試套件。 ? RISC-V 不是 CPU 實現。它是通用處理器和專用處理器的開放式 ISA。一個完全開放的 ISA，可供學術界和工業(yè)界免費使用。 ? RISC-V ISA 被分成一個小的基本整數 ISA，可單獨用作定制加速器或教育目的的基礎，以及支持通用軟件開發(fā)的可選標準擴展 ? RISC-V 支持應用程序、操作系統(tǒng)內核和硬件實現的 32 位和 64 位地址空間變體。因此，它適用于所有計算系統(tǒng)，從嵌入式微控制器到云服務器，如下所述。 簡單的嵌入式微控制器、保護運行 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)、運行操作系統(tǒng)的臺式機/筆記本電腦/智能手機以及運行多個操作系統(tǒng)的云服務器。 ?

二、RISC-V 基礎 ISA

RISC-V 是一個相關 ISA 家族：RV32I、RV32E、RV64I、RV128I。 ? RV32I/ RV32E/ RV64I/RV128I 是什么意思： ? RV——RISC-V ? 32/64/128?– 定義寄存器寬度 [XLEN] 和地址空間 ? I?– 整數基 ISA ? 32?個用于所有基本 ISA 的寄存器 ? E – 嵌入式：只有 16 個寄存器的基本 ISA ? （1）RISC-V 寄存器： ? 所有基本 ISA 都有 32 個寄存器，如圖 2 所示，除了 RV32E。只有RV32E base ISA對于簡單的嵌入式微控制器只有16個寄存器，但寄存器寬度仍然是32位。 ? 寄存器 X0 硬接線為零。稱為程序計數器的特殊寄存器保存要從內存中獲取的當前指令的地址。 ? 如圖 2 所示，RISC-V 應用程序二進制接口，ABI 定義了寄存器的標準功能。為了簡單和一致，軟件開發(fā)工具通常使用 ABI 名稱。根據 ABI，額外的寄存器專用于 X0 到 X15 范圍內的保存寄存器、函數參數和臨時變量，主要用于 RV32E 基礎 ISA，它只需要前 16 個寄存器來實現簡單的嵌入式微控制器。但是 RV32I 基礎 ISA 將擁有所有 32 個寄存器 X0 到 X31。 ?

圖 2：RISC-V 寄存器和 ABI 名稱參考：RISC-V 規(guī)范 ?

（2）RISC-V內存： ? RISC-V hart [硬件線程/核心] 具有用于所有內存訪問的 2^XLEN 字節(jié)的單字節(jié)可尋址地址空間。XLEN 表示整數寄存器的位寬度：32/64/128。 ? 內存字定義為 32 位（4 字節(jié)）。相應地，半字為16位（2字節(jié)），雙字為64位（8字節(jié)），四字為128位（16字節(jié)）。 ? 內存地址空間是循環(huán)的，因此地址 2^XLEN -1 處的字節(jié)與地址零處的字節(jié)相鄰。因此，由硬件完成的內存地址計算忽略溢出，而是環(huán)繞模 2^XLEN。 ? RISC-V 基礎 ISA 具有小端或大端存儲系統(tǒng)，特權架構進一步定義了大端操作。指令作為 16 位小尾數法包的序列存儲在內存中，而不管內存系統(tǒng)的字節(jié)順序如何。 ?

（3）RISC-V 加載存儲架構

您可以可視化基于 RISC-V 寄存器和內存的 RISC-V 加載存儲架構，如下圖 3 所示。 ? RISC-V處理器根據PC中的地址從主存中取/載指令，譯碼32位指令，然后ALU進行算術/邏輯/內存讀寫操作。ALU 的結果將存儲回其寄存器或內存中。 ?

圖 3：RISC-V 加載存儲架構 ?

（4）RISC-V RV32 I 基礎 ISA

RV32I base ISA 只有 40 條 Unique Instructions，但簡單的硬件實現只需要 38 條指令。RV32I指令可分為： ? R-Type：注冊到注冊說明 ? I-Type：立即注冊、加載、JLR、Ecall 和 Ebreak ? S型：商店 ? B型：分支 ? J型：跳躍和鏈接 ? U 型：立即加載/添加上層 ?

圖 4：RV32I 基本 ISA 指令格式
? （5）用于優(yōu)化 RTL 設計的 RISC-V ISA

在這里，我想解釋一下 RISC-V ISA 如何使我們能夠實現優(yōu)化的寄存器傳輸級設計，以滿足低功耗和高性能的目標。 ? 如圖 4 所示，RISC-V ISA 在所有格式中將源（rs1 和 rs2）和目標（rd）寄存器保持在相同位置以簡化解碼。 ? 立即數總是經過符號擴展，并且通常被打包到指令中最左邊的可用位，并且已被分配以降低硬件復雜性。尤其是， ? 所有立即數的符號位總是在指令的第 31 位以加速符號擴展電路。 ? 符號擴展是對立即數最關鍵的操作之一（特別是對于 XLEN>32），在 RISC-V 中，所有立即數的符號位始終保存在指令的第 31 位中，以允許符號擴展與指令解碼并行進行。 ? 為了加快解碼速度，基礎 RISC-V ISA 將最重要的字段放在每條指令的同一位置。正如您在指令格式表中所見， ?

主要操作碼總是在位 0-6 中。

目標寄存器（如果存在）始終位于位 7-11 中。

第一個源寄存器（如果存在）始終位于第 15-19 位。

第二個源寄存器（如果存在）始終位于第 20-24 位。

但是為什么立即位會被打亂呢？想想解碼直接場的物理電路。由于它是硬件實現，因此這些位將被并行解碼；輸出立即數中的每一位都有一個多路復用器來選擇它來自哪個輸入位。多路復用器越大，成本越高，速度也越慢。 ? 值得注意的是，只需要主要操作碼（位 0-6）就可以知道如何解碼立即數，因此立即數解碼可以與指令其余部分的解碼并行完成。 ? （6）RV32I 基本 ISA 指令

RISC-V ISA 擴展

此處列出了所有 RISC-V ISA 擴展： ?

圖 5：RISC-V ISA 擴展 ? 我們遵循 RISC-V 處理器的命名約定，如下所述： ?

RISC-V 處理器：RV32I、RV32IMAC、RV64GC ?

RV32I：整數基礎 ISA 實現 ? RV32IMAC：整數基礎 ISA + 擴展：[乘法 + 原子 + 壓縮] ?

RV64GC：64 位 IMAFDC [G-通用：IMAFD] ?

整數 64 位基本 ISA + 擴展：[乘法 + 原子 + SP 浮動 + DP 浮動 + 壓縮] ?

RISC-V 特權架構

RISC-V 特權架構涵蓋了 RISCV 系統(tǒng)的所有方面，超出了我到目前為止所解釋的非特權 ISA。特權架構包括特權指令以及運行操作系統(tǒng)和連接外部設備所需的附加功能。 ? 根據 RISC-V 特權規(guī)范，我們可以實現從簡單的嵌入式控制器到復雜的云服務器的不同類型的系統(tǒng)，如下所述。 ? 應用程序執(zhí)行環(huán)境 – AEE：“裸機”硬件平臺，其中 harts 直接由物理處理器線程實現，指令可以完全訪問物理地址空間。硬件平臺定義了一個從上電復位開始的執(zhí)行環(huán)境。示例：簡單且安全的嵌入式微控制器 ? 主管執(zhí)行環(huán)境——參見：RISC-V 操作系統(tǒng)，通過將用戶級 harts 多路復用到可用的物理處理器線程并通過虛擬內存控制對內存的訪問來提供多個用戶級執(zhí)行環(huán)境。 ?

示例：運行類 Unix 操作系統(tǒng)的桌面等系統(tǒng)

Hypervisor Execution Environment – HEE：RISC-V hypervisor，為來賓操作系統(tǒng)提供多個管理級執(zhí)行環(huán)境。 ?

示例：運行多個guest操作系統(tǒng)的云服務器

圖 6：RISC-V 特權軟件堆棧

參考：RISC-V 規(guī)范 ? 此外，RISC-V 特權規(guī)范定義了各種控制和狀態(tài)寄存器 [CSR]，以實現各種功能，如任何系統(tǒng)的中斷、調試和內存管理設施。您可能需要參考規(guī)范以探索更多信息。

? 如本文所述，我們可以使用通用的開放式 RISC-V ISA 高效地實現任何系統(tǒng)，從簡單的物聯網設備到復雜的智能手機和云服務器。由于單片半導體縮放失敗，專業(yè)化是提高計算性能的唯一途徑。開放式 RISC-V ISA 是模塊化的，支持自定義指令，使其成為創(chuàng)建各種專用處理器和加速器的理想選擇。 ?
隨著 IEEE 標準通用驗證方法論的出現，我們在芯片驗證方面取得了巨大成功，開放的 RISC-V ISA 也將繼承各種專有 ISA 的所有優(yōu)點，成為行業(yè)標準 ISA，引領我們走向未來開放的計算時代。您準備好使用 RISC-V 專業(yè)知識迎接這個美好的未來了嗎？ ?

編輯：黃飛

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