RISC-V 体系结构特点和指令集介绍

曾在苹果、特斯拉、Intel、AMD等多家公司担任高管的芯片大神Jim Keller在 2022 年的一次演讲中，宣称处理器的未来是属于 RISC-V 的。他认为，RISC-V未来将会超越现在的市场霸主 x86 与 ARM 。

当年 AMD 能先于 Intel 推出划时代的 64 位 x86 处理器，就是Jim Keller的功劳。Jim Keller后来把硅谷的大厂转了个遍，每到一处必推出震动业界的处理器产品。

能被芯片大神看好的RISC-V ，究竟是何方神圣？

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RISC-V的缘起

此事要从计算机科学的圣地——加州大学伯克利分校说起。2010 年时，加州大学伯克利分校的 Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 共同设计发明。RISC-V 也得到了图灵奖获得者 David A. Patterson 的支持，他可是计算机体系结构的权威大佬。 他们做这件事的初衷是便于开展教学工作。业界虽有成熟的 x86 与 ARM 架构，但二者的架构过于复杂，并且存在高昂的授权费用。不过这能难倒加州大学伯克利分校计算机系吗？ 于是一个简洁、开放、免费的处理器体系结构 RISC-V 诞生了。RISC 是精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Compute）的缩写，V 是罗马数字 5，是第五代指令集体系结构 的意思。所以它正确的读法应该是“risk five”。   RISC-V 在教学上便利的特点，其实也迎合了业界的强烈呼唤，所以短短几年内它就从学术走向了工业级应用。尤其是在 2022 年，RISC-V 概念引爆市场，这一年也称为 RISC-V 的元年。

展望未来，RISC-V 攻城略地的本钱是什么？我们从它的体系结构来管窥一二。

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后来者居上：RISC-V 体系结构特点

RISC-V 体系结构最基础的特点有三个——开源、精简、模块化。这三个特点为何如此受到业界青睐？通过与 x86 、ARM 的对比最容易说清楚问题。    

开源

RISC-V 采用 BSD 开源协议，既不会受到单一商业体的控制，也不会有商业上的纠纷，有利于大规模推广。这要感谢加州大学伯克利分校对计算机科学事业的慷慨贡献。 x86则是全封闭体系结构 ，只有 Intel 和 AMD 独享；使用 ARM 则要支付昂贵的授权费，也只有实力强大的厂商才玩得起。  

精简

RISC-V 指令集和体系结构 设计说明文档只有几百页，而有些商业芯片则有数万页的文档。这说明RISC-V有着更强的可扩展性，这也是后发者的优势，可以摒弃掉很多繁杂冗余的设计，保留最实用的部分。  

模块化

不同于 x86 与 ARM 这样的通用体系结构 ，RISC-V的用户可根据业务需求（例如弱计算、低功耗场景，或者智能化、高性能计算场景等）进行定制。

纵观 IT 历史发展，最初市场由“Wintel”联盟（Windows + Intel）双巨头主导。Intel 发布一款新处理器，微软就会升级软件把芯片的性能吃掉，行业大部分利润也就被如此收割。 随后移动互联网的崛起，主导者变为了“AAA”（ARM、Android、Apple）。以谷歌为代表的互联网公司兴起，依托于 Linux 这样的开源软件，他们摆脱了微软的控制。ARM 的授权生产模式，又孕育出了不少像高通这样成功的芯片制造企业。市场进一步开放，不再是寡头的时代。 现在如今，我们正在进入人工智能（AI）+ 物联网（IoT）的 AIoT 时代，市场将会百花齐放，那么主导者会是谁？我想那一定是尽早在 RISC-V 体系结构上进行布局的远见者们。 如果你不想错失这个未来最大的市场，要稳稳地站在风口上，就从《RISC-V 体系结构编程与实践》这本书开始学习吧。它包含了 RISC-V 体系结构、指令集、内存管理、实验环境搭建等内容，涵盖从理论到实践的完整过程。         点击封面，即可购书    

我们先从 RISC-V 最具特色的指令集体系结构说起。

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理解 RISC-V 的语言：指令集介绍

对于一台计算机来说，最基础的组成是什么？硬件是芯片，软件是操作系统。而对于处理器架构来说，最核心的部分是指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）。 指令集是计算机硬件与软件真正的交界处。它以指令的形式，定义了 CPU 可对外提供的操作，就像是 CPU 的语言；而 CPU 的执行又依赖外界向它输入的指令。再庞大的软件也是由文本形式的源代码，编译成一条条二进制指令，交由 CPU 来执行，从而构成我们今天的信息世界。 当前业界比较流行的指令集设计采用的是增量式方法，即增加新指令时，要做到保持向后二进制兼容。这看起来似乎没什么问题，但已经被弃用甚至是存在错误的旧有指令也要一并保留下来，这就会造成指令集无谓的庞大，变得臃肿、冗杂。 作为后发者的 RISC-V，自然就在设计之初，避免了增量式带来的问题，采用了模块化的设计方法。 模块化设计方法，就是设计一个最小集合和最基础的指令集。最小指令集可以完整地实现一个软件栈，其他特殊功能的指令集可以在最小指令集的基础上，通过模块化的方式叠加实现。 这也就是为什么 RISC-V 可以根据应用场景，实现差异化的定制。它在设计原则上就避开了摊大饼式的增量陷阱，而采用了搭乐高式的灵活拼装方式。 RISC-V 针对 32 位处理器的最小指令集是 RV32I，针对64 位的是RV64I。在 RV32I 和 RV64I 的基础上，RISC-V 还定义了一级扩展指令集。芯片设计者可以根据业务需求选择扩展指令集。具体描述如下表所示：

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轻松上手：搭建实验环境

要想从入门到不放弃，动手实际体验是必不可少的。可能你会产生一个疑问，学习 RISC-V 是不是还要先买块开发板？那编译、开发、调试是不是门槛很高？ 其实这不是必需的。《RISC-V 体系结构编程与实践》一书中给出了基于 QEMU 或者 NEMU 模拟器上进行实验的方法，而且作者团队奔跑吧 Linux 社区还提供了他们自研、开源的小型操作系统 BenOS。本书对初学者相当友好，可以说是“傻瓜式”的开局。 QEMU 是使用最广泛的开源虚拟机软件，也是做系统底层开发和嵌入式开发的必备神器。NEMU 则是由南京大学实现，用于教学的计算机指令集体系结构模拟器。由中科院牵头研发出的香山高性能 RISC-V 处理器，就使用了 NEMU 进行前期指令集和体系结构的模拟。 我们来看一下如何在 QEMU 上实现 RISC-V 版的“hello, world”吧。  

准备工作

· 安装了 Linux 操作系统的主机。

· 从 GitHub 下载 BenOS 源码。

https://github.com/runninglinuxkernel/BenOS

· 在 Linux 上安装下列工具：qemu-system-misc、libncurses5-dev、gcc-riscv64-linux-gnu、build-essential、git、bison、flex、libssl-dev。

编译BenOS

运行

大功告成！就这么简单。

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结语

目前市面上主流的技术架构是终端使用ARM 芯片，服务端使用 x86 的 CPU。但这样设计架构，企业就需要维护两套技术体系的研发，从资源使用角度来说相当不经济。 RISC-V 让全平台底层技术栈的统一有了希望。只需要一套技术体系，即可适应从处理器到操作系统、基础软件库、上层应用的研发工作。这也是芯片公司、互联网公司如此青睐 RISC-V 的重要原因。 目前我国在 RISC-V 体系结构上保持领先水平。香山处理器团队也参与了《RISC-V 体系结构编程与实践》的审校工作，为本书提供了更加权威、深度的技术细节内容。

编辑：黄飞