本文綜合自：汽車ECU開(kāi)發(fā)和賢哥幸?；閼僬n公眾號(hào)
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　　1.RISC-V概述及歷史

　　RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校,。在 2010 年夏季,Krste Asanovic 教授帶領(lǐng)他的兩個(gè)學(xué)生 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 啟動(dòng)了一個(gè)3個(gè)月的項(xiàng)目,目標(biāo)是針對(duì) x86 和ARM 指令集架構(gòu)復(fù)雜和需要IP 授權(quán)的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)化和開(kāi)放的指令集架構(gòu)。RISC-V基金會(huì)創(chuàng)建于2015 年,是一家非營(yíng)利組織,?；饡?huì)董事會(huì)最早由 Bluespec、Google,、Microsemi,、NVIDIA、NXP,、UC Berkeley,、Western Digital 七家單位組成，目前的主席是 Krste Asanovi 教授,。

　　成員單位現(xiàn)在已經(jīng)比較多了：

　　基金會(huì)為核心芯片架構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)和建立生態(tài),標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)免費(fèi)下載,。基金會(huì)旗下有超過(guò) 1 000 家成員,包括高通,、NXP,、阿里巴巴和華為等。RISC-V 基金會(huì)成員可以使用 RISC-V 商標(biāo),。RISC-V 指令集架構(gòu)采用開(kāi)源BSD 授權(quán),任何企業(yè),、高校和個(gè)人都可以遵循RISC-V 架構(gòu)指南設(shè)計(jì)自己的 CPU.秉承開(kāi)放、中立的宗旨,RISC-V 基金會(huì)總部從美國(guó)遷往瑞士,并于 2020年3月完成在瑞士的注冊(cè),更名為 RISC-V 國(guó)際基金會(huì)(RISC-V International Association),。近日,，基金會(huì) CEO Calista Redmond 撰文 RISC-V Catalyst for ChangRISC-V,文章指出,RISC-V 標(biāo)準(zhǔn)是免費(fèi)和開(kāi)放的,沒(méi)有任何一個(gè)實(shí)體可以控制RISC-V 技術(shù)。企業(yè),、學(xué)術(shù)界和機(jī)構(gòu)都可以自由地在 RISC-V 指令集架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新,共同推動(dòng)計(jì)算前沿技術(shù)的迅速發(fā)展,。

　　自RISC-V 架構(gòu)誕生以來(lái),市場(chǎng)上已有數(shù)十個(gè)版本的 RISC-V 內(nèi)核和SoC芯片它們中的一部分是開(kāi)源免費(fèi)的，而商業(yè)公司開(kāi)發(fā)的 RISC-V 處理器內(nèi)核和平臺(tái)是需要商業(yè)授權(quán)的,。某些商業(yè)公司開(kāi)發(fā)用于內(nèi)部使用的 RISC-V 內(nèi)核,，但也可以開(kāi)源運(yùn)作。西部數(shù)據(jù)的 SweRV架構(gòu)(RV32IMC)是 RISC-V內(nèi)核處理器的典型代表,它是一個(gè)32 bit 順序執(zhí)行指令架構(gòu),具有雙向超標(biāo)量設(shè)計(jì)和9 級(jí)流水線,采用 28 nm 工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn),運(yùn)行頻率高達(dá) 1.8 GHz,可提供 4.9 CoreMark/MHz 的性能,略高于ARM的 Cortex A15,已經(jīng)在西部數(shù)據(jù)的 SSD和 HDD 控制器上使用,SweRV項(xiàng)目是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目(Chip Alliance)典型的開(kāi)源 RISC-V 內(nèi)核有 Rocket Core,它是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的一個(gè)經(jīng)典的 RV64 設(shè)計(jì),。伯克利分校還開(kāi)發(fā)了一個(gè) BOOM Core,它與 Rocket Core不同的是面向更高的性能,。蘇黎世理工大學(xué)(ETH Zurich)開(kāi)發(fā)的 Zero-riscy,是經(jīng)典的RV32 設(shè)計(jì)。蘇黎世理工大學(xué)還開(kāi)發(fā)了另外一款 RISC-V R15CY Core,可配置成RV32E,面向的是超低功耗,、超小芯片面積的應(yīng)用場(chǎng)景,。由 Clifford Wolf 開(kāi)發(fā)的RISC-V Core-Pico RV32,其內(nèi)核重點(diǎn)在于追求面積和 CPU頻率的優(yōu)化。

　　開(kāi)源的 RISC-V 內(nèi)核非常適用于研究和教學(xué),但用于商業(yè)芯片設(shè)計(jì)還有許多工作要做,。SiFive(美國(guó)賽防科技)由 Yunsup Lee 創(chuàng)立,，他也是 RISC-V 的創(chuàng)始人之一,。2017 年 SiFive公司發(fā)布首個(gè) RISC-V 內(nèi)核SOC平臺(tái)家族,以及相關(guān)支持軟件和開(kāi)發(fā)板。在這些芯片中,包括采用 28 nm 制造技術(shù),支持 Linux 操作系統(tǒng)的64位多核CPUU500,以及采用 180 nm 制造技術(shù)的多外設(shè)低成本IOT 處理器內(nèi)核 E300,。

　　國(guó)產(chǎn)處理器芯片起步較晚,，從2013年至今，集成電路每年的進(jìn)口額均超過(guò)了 2000 億美元,。RISC-V和AI(人工智能)芯片是我國(guó)最有希望突破的領(lǐng)域之一,。RISC-V使用的領(lǐng)域還是對(duì)于生態(tài)依賴比較小的嵌入式系統(tǒng)或者新興的IoT(物聯(lián)網(wǎng))、邊緣計(jì)算,、人工智能領(lǐng)域,，但RISC-V得到了產(chǎn)業(yè)界和社區(qū)的廣泛支持，同時(shí),，現(xiàn)在很多企業(yè)開(kāi)始對(duì) RISC-V 重視,，所以說(shuō)RISC-V 應(yīng)用前景會(huì)非常樂(lè)觀。

　　2. 什么是指令集,，指令集與處理芯片之間有什么關(guān)系,？RISC-V指令集的特點(diǎn)是什么？

　　處理器是一塊芯片,。而芯片并不會(huì)自己工作,，需要有人告訴它該做什么操作。例如告訴芯片下個(gè)操作做加法,，這就是一條指令,。

　　在人類社會(huì)中指令基本上是以語(yǔ)言或者聲音的形式存在，而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,，指令是以二進(jìn)制數(shù)存在的,。一個(gè)芯片指令的合集就叫指令集。指令集規(guī)定了二進(jìn)制數(shù)的格式,、尋址方式,、操作類型等。市面上常見(jiàn)的指令集有PC機(jī)常用的X86指令集,、ARM的指令集等等,。

　　一般來(lái)講，先有指令集,，才會(huì)有芯片來(lái)支持指令集,。所以指令集可以說(shuō)是芯片的早期藍(lán)圖,。指令集類似一種標(biāo)準(zhǔn),，定義了芯片支持的功能。而芯片是一個(gè)實(shí)物,，實(shí)現(xiàn)指令集定義的功能,。所以你常聽(tīng)的RISC-V處理器,，實(shí)際上是支持了RISC-V指令集的處理器芯片。

　　CPU 支持的所有指令和指令的字節(jié)級(jí)編碼就是這個(gè) CPU 的指令集架構(gòu)(Instruction Set Architecture,ISA),指令集在計(jì)算機(jī)軟件和硬件之間搭起了一座橋梁,。不同的 CPU 家族,例如 86,、PowerPC 和 ARM,都有不同的 ISA。RISC-VISA 開(kāi)源,更確切地講是它的指令集規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)源,。

　　RISC-V指令集是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算原理建立的開(kāi)放指令集架構(gòu)(ISA),，RISC-V是在指令集不斷發(fā)展和成熟的基礎(chǔ)上建立的全新指令。RISC-V ISA可以免費(fèi)使用,，允許任何人設(shè)計(jì),、制造和銷售 RISC-V 芯片和軟件。

　　RISC-V（讀音“risk-five”）是一個(gè)新的指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）,，它最初用于支持計(jì)算機(jī) 體系結(jié)構(gòu)研究和教學(xué),，但現(xiàn)在我們希望它也成為一個(gè)對(duì)于工業(yè)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)、免費(fèi),、開(kāi)放的 體系結(jié)構(gòu),。RISC-V官方定義 RISC-V 的目的包括：

• 一個(gè)完全開(kāi)放的 ISA，能夠自由地提供給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用,。

• 一個(gè)真正的 ISA,，能夠適合直接在硬件上實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是適用于模擬或者二進(jìn)制 翻譯,。

• 一個(gè)避免對(duì)某一種微體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格（例如微編碼,、按序、去耦合,、亂序等）或者實(shí) 現(xiàn)技術(shù)（例如全定制,、ASIC、FPGA）“過(guò)度體系結(jié)構(gòu)化（over-architecting）”的 ISA,， 但是也能夠非常高效地利用任何一種技術(shù)實(shí)現(xiàn),。

• 包含一個(gè)小的基本整數(shù) ISA（可以作為一個(gè)定制的加速器的基礎(chǔ)或者作為教學(xué)用途） 和多個(gè)可選的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的 ISA，可以支持通用的軟件開(kāi)發(fā),。

  支持修訂的 2008 IEEE-754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn),。

• ISA 支持豐富的用戶級(jí) ISA 擴(kuò)展和各種特殊的變種。

• 對(duì)應(yīng)用程序,、操作系統(tǒng)內(nèi)核,、硬件實(shí)現(xiàn)的32 位、64 位地址空間變種,。

• ISA 支持高度并行的多核,、眾核實(shí)現(xiàn)，包括異構(gòu)多處理器等,。

• 可選的變長(zhǎng)指令,，以支持?jǐn)U展可用的指令編碼空間,、支持一個(gè)可選的密集指令編碼， 以提高性能,、靜態(tài)代碼大小和能耗效率,。

• 一個(gè)可完全虛擬化的 ISA，以簡(jiǎn)化虛擬機(jī)監(jiān)督管理器（Hypervisor）的開(kāi)發(fā),。

• ISA 支持新的管理員級(jí)（supervisor-level）和虛擬機(jī)監(jiān)督管理級(jí)（hypervisor-level） ISA 設(shè)計(jì),。

　　3.關(guān)于RISC-V的V

　　RISC-V 這個(gè)名字，代表了 UC Berkeley 大學(xué)設(shè)計(jì)的第五代主要的 RISC ISA（前 四個(gè)是 RISC-I[18],、RISC-II[11],、SOAR[27]和 SPUR[14]）。羅馬數(shù)字“V”也暗示 了“變種（Variations）”和“向量（Vectors）”,，以支持各種體系結(jié)構(gòu)研究,，包括各種數(shù)據(jù)并行加速器，也是這個(gè) ISA 設(shè)計(jì)的明確目標(biāo),。

　　4,、發(fā)明者為什么要開(kāi)發(fā)一個(gè)新的ISA

　　關(guān)于為什么要有RISC-V，發(fā)明者這么說(shuō)：

　　硬件上實(shí)現(xiàn)一些研究思想特別感興趣（自從這個(gè)規(guī)范的第一個(gè)版本發(fā)布之后,， 我們已經(jīng)完成了 11 塊不同的 RISC-V 硅片的制造）,，在課堂上提供給學(xué)生真實(shí) 的實(shí)現(xiàn)（在 Berkeley，RISC-V 處理器的 RTL 設(shè)計(jì)代碼已經(jīng)用于多個(gè)本科生,、研 究生的課程）,。在我們當(dāng)前的研究中，由于傳統(tǒng)晶體管不斷變小帶來(lái)的能耗約 束,，我們對(duì)特殊,、異構(gòu)的加速器特別感興趣。我們需要一個(gè)高度靈活,、高度可 擴(kuò)展的基本 ISA,，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建我們自己的研究。

　　我們總被問(wèn)及這樣一個(gè)問(wèn)題“為什么要開(kāi)發(fā)一個(gè)新的 ISA,？”,。使用一個(gè)已 有的商業(yè)化的 ISA，其顯而易見(jiàn)最大的優(yōu)勢(shì)在于其已經(jīng)具備了豐富和廣泛支持,。

　　的軟件生態(tài)系統(tǒng),，包括開(kāi)發(fā)工具和可移植的應(yīng)用程序，而在研究和教學(xué)中,，這 些都是可以利用的,。其他的好處包括擁有大量的文檔和教程示例。然而，我們 的經(jīng)驗(yàn)證明,，在科研和教學(xué)中使用商業(yè)的指令集，在實(shí)際中獲得的好處很小,， 而且掩蓋不了它的缺點(diǎn)：

　　商業(yè) ISA 都是私有的,。除了 SPARC V8（它是一個(gè)開(kāi)放的IEEE 標(biāo)準(zhǔn)[1]）， 絕大多數(shù) ISA 的擁有者非常小心地保護(hù)他們的知識(shí)產(chǎn)權(quán),，并且并不歡 迎自由實(shí)現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn),。對(duì)于僅僅使用軟件模擬器來(lái)進(jìn)行學(xué)術(shù)研究和 教學(xué)來(lái)說(shuō)，這并不是一個(gè)問(wèn)題,，但是對(duì)于那些希望分享真實(shí)硬件實(shí)現(xiàn) 的科研小組來(lái)說(shuō),，這就是一個(gè)大問(wèn)題。對(duì)于那些被強(qiáng)迫信任僅有的幾 個(gè)商業(yè) ISA 實(shí)現(xiàn),，而不允許創(chuàng)建自己的全新實(shí)現(xiàn)（clean room implementation）的企業(yè)來(lái)說(shuō),，這也是一個(gè)大問(wèn)題。我們并不能確保 所有的 RISC-V 實(shí)現(xiàn)沒(méi)有侵犯第三方專利,，但是我們確保我們絕不會(huì) 起訴一個(gè) RISC-V 的實(shí)現(xiàn)者,。

　　（1）商業(yè) ISA 僅僅在某個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域比較流行,。當(dāng)書寫此文檔時(shí),，最顯而易 見(jiàn)的例子就是 ARM 體系結(jié)構(gòu)在服務(wù)器領(lǐng)域并沒(méi)有得到很好的支持， 而 Intel x86 體系結(jié)構(gòu)（或者幾乎任何一種其他的體系結(jié)構(gòu)）在移動(dòng)領(lǐng) 域并沒(méi)有得到很好的支持,，雖然 Intel 和 ARM 正在試圖進(jìn)入對(duì)方的市 場(chǎng)領(lǐng)域,。另外一個(gè)例子是 ARC 和 Tensilica，它們提供了可擴(kuò)展的內(nèi)核,， 但是只關(guān)注嵌入式市場(chǎng),。這種市場(chǎng)的劃分，使得支持某種特定商業(yè) ISA 獲得的好處大大削弱,，因?yàn)槭聦?shí)上軟件生態(tài)系統(tǒng)只存在于某個(gè)領(lǐng) 域,，到了別的領(lǐng)域，必須重新構(gòu)建,。

　?。?）商業(yè) ISA 此起彼伏。以前基于商業(yè) ISA 構(gòu)建的研究基礎(chǔ)設(shè)施,，并不流 行（SPARC,、MIPS），甚至不再生產(chǎn)（Alpha）,。這對(duì)于一個(gè)活躍的軟件 生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)大損失,，一些圍繞 ISA 和支持工具的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn) 題，也使得感興趣的第三方難以繼續(xù)支持這個(gè) ISA,。一個(gè)開(kāi)放的 ISA 也可能失去流行性,，但是任何感興趣的人,，都可以繼續(xù)使用它并研發(fā) 相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)。

　?。?）流行的商業(yè) ISA 是復(fù)雜的,。占統(tǒng)治地位的 ISA（x86 和 ARM）若要支 持常用軟件棧和操作系統(tǒng)，那么其硬件實(shí)現(xiàn)都非常復(fù)雜,。更糟糕的是,， 幾乎所有的復(fù)雜性都來(lái)自于糟糕的、或者至少是過(guò)時(shí)的ISA設(shè)計(jì)考慮,， 而不是那些真正提高效率的特性,。

　　（4）僅靠商業(yè) ISA 并不足以運(yùn)行應(yīng)用程序,。即使我們努力實(shí)現(xiàn)了一個(gè)商業(yè) ISA,，對(duì)于運(yùn)行一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，仍然是不夠的,。絕大多數(shù) 應(yīng)用程序需要一個(gè)完整的 ABI（application binary interface）才能運(yùn)行,， 而不僅僅是用戶級(jí) ISA。絕大多數(shù) ABI 依賴于庫(kù)（libraries）,，而庫(kù)又 依賴于操作系統(tǒng)支持,。為了運(yùn)行一個(gè)已有的操作系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)管理 員級(jí) ISA,、OS 需要的設(shè)備接口,。這些通常并沒(méi)有很好的規(guī)范，而在實(shí) 現(xiàn)上比用戶級(jí) ISA 具有更大的復(fù)雜性,。

　?。?）流行的商業(yè) ISA 不是為可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)的。占統(tǒng)治地位的商業(yè) ISA 并沒(méi) 有為可擴(kuò)展性而進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì),，結(jié)果就是,，隨著后續(xù)指令集不斷地 增長(zhǎng)，指令編碼的復(fù)雜度大幅度增加,。而類似 Tensilica（被 Cadence 公司收購(gòu)）,、ARC（被 Synopsys 公司收購(gòu)）這樣的公司，它們圍繞 可擴(kuò)展性構(gòu)建了 ISA 和工具鏈（toolchain）,，但是它們瞄準(zhǔn)的是嵌入 式應(yīng)用而不是通用計(jì)算系統(tǒng),。

　　一個(gè)修改過(guò)的商業(yè) ISA 實(shí)際上是一個(gè)新的 ISA。我們的一個(gè)主要目標(biāo) 是支持體系結(jié)構(gòu)研究,，包括主要的 ISA 擴(kuò)展,。即使是很小的擴(kuò)展，也 減弱了使用標(biāo)準(zhǔn) ISA 而帶來(lái)的好處，因?yàn)楸仨毿薷木幾g器,，而應(yīng)用程 序必須從源代碼進(jìn)行重新編譯,，以利用這些擴(kuò)展。引入了新的體系結(jié) 構(gòu)狀態(tài)的大一些的擴(kuò)展,，也需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行修改,。最終使得一個(gè) 修改的商業(yè) ISA 變成一個(gè)新的 ISA，但是不得不肩負(fù)著所有基本 ISA 遺留下來(lái)的包袱,。我們堅(jiān)信 ISA 是整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)中最重要的接口,，沒(méi)有理由把這么重要的接 口變成私有的,。占統(tǒng)治地位的商業(yè) ISA 都是基于超過(guò) 30 年歷史的指令集,。軟 件開(kāi)發(fā)者應(yīng)當(dāng)能夠定位到一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的硬件目標(biāo)機(jī)，商業(yè)處理器設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng) 在實(shí)現(xiàn)質(zhì)量上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),。我們并不是第一個(gè)為了適合硬件實(shí)現(xiàn)而提出開(kāi)放 ISA 設(shè)計(jì)的,。我們也考慮 了其他現(xiàn)有的開(kāi)放 ISA 設(shè)計(jì)，其中 OpenRISC 體系結(jié)構(gòu)[17]與我們的目標(biāo)最為 接近,。

　　我們由于幾個(gè)技術(shù)原因,，并不采用 OpenRISC ISA：

　　1、OpenRISC 有條件碼（condition code）和分支延遲槽（branch delay slot）,， 這對(duì)于更高性能的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō),，變得更為復(fù)雜。

　　2,、OpenRISC 使用了 32 位定長(zhǎng)指令編碼和 16 位立即數(shù),，阻礙了更密集 的指令編碼，并對(duì)后續(xù) ISA 擴(kuò)展限制了空間,。

　　3,、OpenRISC 并不支持 2008 修訂的 IEEE-754 浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　在我們開(kāi)始的時(shí)候,，64 位 OpenRISC 設(shè)計(jì)并沒(méi)有完成,。從零開(kāi)始，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)符合我們所有需求的 ISA,，當(dāng)然,，這花了比 我們?cè)陂_(kāi)始時(shí)預(yù)期多得多的努力。現(xiàn)在我們?cè)跇?gòu)建 RISC-V ISA 基礎(chǔ)設(shè)施上投入 了大量的精力,，包括文檔,、編譯器工具鏈、操作系統(tǒng)移植,、參考 ISA 模擬器,、 FPGA 實(shí)現(xiàn)、高效的 ASIC 實(shí)現(xiàn)、體系結(jié)構(gòu)測(cè)試套件,、教學(xué)材料等,。自本文檔的 上一個(gè)版本以來(lái)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)此 RISC-V ISA 都有大量的吸收（uptake）,， 我們也創(chuàng)建了非盈利的 RISC-V 基金會(huì)來(lái)保護(hù)和推進(jìn)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),。RISC-V 基金會(huì)的 網(wǎng)址在 http://riscv.org，包含了基金會(huì)成員最新的信息和各種各樣使用 RISC-V 的開(kāi)源項(xiàng)目,。

　　5.RISC-V指令集的優(yōu)勢(shì)

　　(1)完全開(kāi)源,。對(duì)于 RISC-V 指令集的使用，RISC-V基金會(huì)不收取高額的授權(quán)費(fèi),。開(kāi)源采用寬松的BSD 協(xié)議,，企業(yè)可以完全自由免費(fèi)使用，同時(shí)也允許企業(yè)添加自有指令集,，而不必開(kāi)放共享,，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。

　　(2)架構(gòu)簡(jiǎn)單,。RISC-V設(shè),。處理器領(lǐng)域，流的架構(gòu)為x8與ARM架構(gòu),。x86與ARM架構(gòu)的發(fā)展過(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,，但作為商用的架構(gòu)，為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性,，不得不保留許多過(guò)時(shí)的定義,，導(dǎo)致其指令數(shù)目多，指令冗余嚴(yán)重,，文檔數(shù)量龐大,，所以要在這些架構(gòu)上開(kāi)發(fā)新的操作系統(tǒng)或者直接開(kāi)發(fā)應(yīng)用門檻很高。而RISC-V 架構(gòu)則完全拋棄包袱,，借助計(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)的優(yōu)勢(shì),，從輕上路。RISC-V基礎(chǔ)指令集只有40多條,，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共也就幾十條指令,。RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁(yè)，而特權(quán)架構(gòu)文檔的篇幅也僅為 91頁(yè),。

　　(3)易于移植操作系統(tǒng),。現(xiàn)代操作系統(tǒng)都做了特權(quán)級(jí)指令和用戶級(jí)指令的分離，特權(quán)指今只能由操作系統(tǒng)調(diào)用,，而用戶級(jí)指令才能在用戶模式調(diào)用,，保障操作系統(tǒng)的穩(wěn)定,。RISC-V提供了特權(quán)級(jí)指令和用戶級(jí)指令，同時(shí)提供了詳細(xì)的 RISC-V 特權(quán)級(jí)指令規(guī)范和 RISC-V 用戶級(jí)指令規(guī)范的詳細(xì)信息,，使開(kāi)發(fā)者能非常方便地移植 Linux 和 UNIX 系統(tǒng)到RISC-V平臺(tái)上,。

　　(4)模塊化設(shè)計(jì)。RISC-V 架構(gòu)不僅短小精悍,，其不同的部分還能以模塊化的方式組紗在一起,，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)用場(chǎng)景。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合,，來(lái)實(shí)現(xiàn)自己定制化設(shè)備的需要,，比如針對(duì)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RV32IMFDC 指令集,，使用 Machine Mode(機(jī)器模式)與User Mode()戶模式)兩種模式。

　　(5)完整的工具鏈,。對(duì)于設(shè)計(jì)CPU 來(lái)說(shuō),，工具鏈?zhǔn)擒浖_(kāi)發(fā)人員和 CPU 交互的窗口,，若沒(méi)有工具鏈,則對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)軟件要求很高,甚至軟件開(kāi)發(fā)者無(wú)法讓CPU 工作起來(lái)在CPU 設(shè)計(jì)中,，工具鏈的開(kāi)發(fā)是一個(gè)巨大的工作。如果用RISC-V來(lái)設(shè)計(jì)芯片,，芯片設(shè)計(jì)公司則不用再擔(dān)心工具鏈問(wèn)題,，只需專注于芯片設(shè)計(jì)，RISC-V社區(qū)已經(jīng)提供了完整的工具鏈 RISC-V 基金會(huì)持續(xù)維護(hù)該工具鏈,。當(dāng)前RISC-V的支持已經(jīng)合并到主要的工具中,，比如編評(píng)工具鏈 GCC、仿真工具 QEMU 等,。

　　6,、RISC-V的特點(diǎn)

　　1）沒(méi)有立即數(shù)減法

　　只有立即數(shù)加法指令(addi)，沒(méi)有立即數(shù)減法指令(subi),，那么減法怎么辦?無(wú)論是數(shù)學(xué)上還是程序上,，x-y都等價(jià)于x+(-y)，也就是說(shuō)可以把減法變成加法,，把被減數(shù)轉(zhuǎn)化成負(fù)數(shù)然后再加上減數(shù)就實(shí)現(xiàn)了和減法一樣的功能,。正是基于這個(gè)原理，RISC-V只提供立即數(shù)加法,，沒(méi)有提供立即數(shù)減法,，如果需要立即數(shù)減法，那么就要麻煩編譯器把這個(gè)立即數(shù)轉(zhuǎn)化成負(fù)數(shù),，然后繼續(xù)使用加法,。這也是 RISC-V將立即數(shù)作為有符號(hào)數(shù)處理的原因,。

　　2）x0 寄存器簡(jiǎn)化指令集

　　引入x0 寄存器后，很多特殊指令只需用普通的指令加上 x0 做操作數(shù)就能解決,，指令的數(shù)量大大減少,，處理器的解碼電路也大大簡(jiǎn)化。

　　3）32 位常量

　　之前使用的ARM 處理器是將立即數(shù)表示不下的常量存到常量池,然后用PC相關(guān)的LDR指令加載到寄存器,。RISC-V 的常量完全是用指令拼接,，不需要 Load 指令，使用 Load 指令需要額外的訪問(wèn)周期,。RISC-V 單條指令可以表示 12 位的有符號(hào)常量,，超過(guò) 12 位需要兩條指令來(lái)合成。其中一條指令是 lui,，lui 指令加載常量的高 20 位,，低 12 位可以用addi指令上去，這個(gè)過(guò)程需要編譯器算出立即數(shù)到底是什么,，因?yàn)?addi 指令執(zhí)行的是有符號(hào)加法,，其中的 12 位立即數(shù)會(huì)先被符號(hào)擴(kuò)展成 32 位的有符號(hào)數(shù)再參與計(jì)算。ARM 的常量加載需要8個(gè)字節(jié),，一條指令加一個(gè)常量;RISC-V的常量加載也是需要8個(gè)字節(jié),，兩條指令，兩者占用的程序空間一樣,。

　　4）只有小于和大于等于

　　RISC-V 的比較跳轉(zhuǎn)指令只有 blt 和 bge,，即只有小于和大于等于。但大于和小于等于也是需要的,，RISC-V用了一個(gè)很巧妙的辦法用兩條指令實(shí)現(xiàn)了四條指令的工作,，將 blt 的兩個(gè)參與比較的操作數(shù)位置換一下就有了 bgt(大于跳轉(zhuǎn))，將bge 的兩個(gè)參與比較的操作數(shù)位置換一下就有了 ble(小于或等于跳轉(zhuǎn)),。

　　5）讓編譯器做更多工作

　　對(duì) RISC 的理解是處理器盡量少做,、編譯器盡量多做，這是非常有道理的,，畢竟編譯的次數(shù)遠(yuǎn)少于執(zhí)行的次數(shù),。上面幾點(diǎn)就提到不少要讓編譯器多做的工作，又例如 B-type 是比較跳轉(zhuǎn)指令的格式,，J-type 是長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)或函數(shù)調(diào)用指令格式,，注意它們的立即數(shù)排列次序，把填充這里的立即數(shù)交給了鏈接器的工作,。這樣排放偏移地址立即數(shù)是為了簡(jiǎn)化處理器的設(shè)計(jì),，但明顯給編譯器增加了工作。

　　6）其他省掉的指令

　　很多常用的指令都被省掉了,，比如nop,、move,、not、neg 等,，但所有這些功能都還有只不過(guò)都是用其他的指令來(lái)等價(jià)實(shí)現(xiàn),，比如not 指令是用xorird，rs,，-1實(shí)現(xiàn),。

　　7、RISC-V的x0寄存器

　　Linux 有兩個(gè)特殊的設(shè)備:/dev/zero 和/dev/null,。從/dev/zero 可以源源不斷地讀到0,，往dev/null 寫的任何內(nèi)容都被丟棄。如果要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)需要填0的文件,，就從dev/zero 拷貝,，如果要丟棄一些輸出，就把輸出重定向到/dev/null,。RISC-V的x0寄存器就相當(dāng)于是硬件版的/dev/zero 和/dev/null的組合體,。從0讀出來(lái)的總是0，往x0 寫進(jìn)去的總是被丟棄,。所以 x0 提供兩種功能:一是提供常量0,，在軟件編程中0可以說(shuō)是最常用的常量:二是提供一個(gè)可以丟棄結(jié)果的場(chǎng)所。有了 x0 寄存器,，很多本來(lái)需要單獨(dú)指令的操作只要在普通的指令前加上x(chóng)0 就可以實(shí)現(xiàn),。

　　(1)nop 空指令,，RISC-V沒(méi)有提供nop 指令,，而是用addi x0，x0,，0來(lái)實(shí)現(xiàn)空指令,，這條addi 使用x0作為目標(biāo)存器，會(huì)丟棄結(jié)果,，所以這條指令不會(huì)對(duì)程序狀態(tài)產(chǎn)生任何影響,，和空指令是完全等價(jià)的，這就不需要單獨(dú)的空指令了,。

　　(2)neg 取負(fù)數(shù)指令,，RISC-V用 sub rd，x0,，rs 來(lái)實(shí)現(xiàn),，x0-rs 等價(jià)于0-rs，等價(jià)于-rs,，有了x0,，就可以用更普通的減法指令來(lái)實(shí)現(xiàn)取負(fù)數(shù)指令,。

　　(3)j跳轉(zhuǎn)指令，RISC-V 沒(méi)有單獨(dú)的跳轉(zhuǎn)指令,，只有jal跳轉(zhuǎn)鏈接指令,，跳轉(zhuǎn)之前總是要把下一條指令的地址拷貝到寄存器，但是如果用 x0 作為jal 的操作寄存器,，即把下-條指令的地址拷貝到 x0,，那么效果就等價(jià)于j跳轉(zhuǎn)指令了，因?yàn)閷懭?x0 的任何值都會(huì)被丟棄,。

　　(4)beqz等于零跳轉(zhuǎn)指令等一系列和0比較的跳轉(zhuǎn)指令,，程序中和0比較是相當(dāng)常見(jiàn)的操作，RISC-V 中和0比較的指令是普通的比較跳轉(zhuǎn)指令,，是用 x0 寄存器做指令的操作數(shù),。還有很多其他這樣的指令，用普通的指令加上 x0 做操作數(shù),，就實(shí)現(xiàn)了那些沒(méi)有x0 寄存器的處理器需要單獨(dú)指令或者需要組合兩條指令才能實(shí)現(xiàn)的操作,。

　　8. 為什么RISC-V在國(guó)內(nèi)如此受關(guān)注？

　　RISC-V作為較新的指令集,，技術(shù)上是有一定的優(yōu)勢(shì),，其實(shí)最大的原因是這個(gè)指令集是開(kāi)源免費(fèi)的，基于這套指令集設(shè)計(jì)的芯片無(wú)論用于科研和商業(yè)均無(wú)需給Intel和ARM上稅,。目前市面上常見(jiàn)的指令集都是要收費(fèi)的,，例如華為麒麟芯片，就購(gòu)買了ARM家的指令集,。這些有指令集知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司均為國(guó)外公司,，非常不利于我國(guó)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵芯片的自主可控。

　　目前,，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有非常多的RISC-V核心RTL代碼,，好多是開(kāi)源的，如果你感興趣可以下載一個(gè)研究研究,。如果用于商用,，國(guó)內(nèi)外也有許多商業(yè)公司提供穩(wěn)定的RISC-V IP核心。例如國(guó)外的SiFive公司,、Microsemi公司,、國(guó)內(nèi)的阿里平頭哥、芯來(lái)科技等公司,。

9.RISC-V的核心是如何與AI加速核心集成的,？

　　從整體實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)講，共有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)AI加速核心與RISC-V計(jì)算核心的集成,。

　　方法一是總線外設(shè)方案,，該方案可以直接把AI加速核心當(dāng)作一個(gè)總線高速外設(shè)掛載于SOC系統(tǒng),。

　　方案二是RISC-V指令集獨(dú)有的辦法，擴(kuò)展RISC-V核心方案,。利用RISC-V指令集可擴(kuò)展的特性,，添加專門的AI指令，在設(shè)計(jì)微內(nèi)核時(shí)加入一個(gè)指令派送單元,，將AI加速指令直接派送給AI加速核心,。

　　實(shí)際上，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的過(guò)程中幾乎不需要條件判斷等操作,，規(guī)律的乘加操作占據(jù)大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間,，兩種實(shí)現(xiàn)方案并無(wú)本質(zhì)差別。

　　擴(kuò)展RISC-V核心的方案優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)總線外設(shè)較多時(shí),，共用了微內(nèi)核資源,，減少了總線開(kāi)銷。而擴(kuò)展RISC-V核心方案的缺點(diǎn)是對(duì)RISC-V編譯工具鏈要做少許修改,，增加額外的工作量,。