RISC-V微处理器实现和ISA的技术描述

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自allaboutcircuits

本文是 RISC-V 基础知识的入门读物。公开了开放式架构理念，以及模块化 ISA 的技术描述，以及一些商业 RISC-V 微处理器实现。 RISC-V 开放指令集架构是当今可用的专有架构（例如 ARM 的那些）的流行替代方案。自诞生以来，RISC-V 在学术和商业上的逐渐普及。

了解 RISC 与 CISC

RISC 是 1980 年代提出的一种计算机架构哲学，作为英特尔、摩托罗拉和几乎所有其他人当时提供的商业架构的替代方案。这种架构最初被称为“复杂指令集计算机”或 CISC，它依靠密集指令集来实现被认为有用和必要的各种操作。然而，包括IBM 和加州大学伯克利分校在内的许多研究团队发现，编译器通常最终使用这些复杂指令集的一小部分。这一发现和其他发现引发了对更大指令集的需求的质疑，将重点放在简单性作为提高效率的一种手段。 总体而言，RISC 在许多方面与 CISC 是相反的。通常，CISC中央处理单元 (CPU)有一些寄存器和大量指令，其中大部分都可以访问内存，而 RISC CPU 有很多寄存器和非常有限的指令集，内存访问仅限于少数加载和存储指示。 

为了说明复杂指令和简单指令之间的区别，表 1 显示了使用 CISC CPU（ NXP 的 s08）和 RISC CPU（ARM Cortex M0+ ）递增计数器变量的代码比较。

表 1.  CISC 和 RISC 代码之间的示例比较。

在该表中，CISC 允许在单条指令中递增变量，而 RISC 需要通过加载和存储来访问内存。尽管这显示了代码大小的差异，但这并不是 apple to apple的比较，因为架构之间存在许多差异，因此这并不能证明一个在技术上优于另一个。

今天，英特尔 x86/x64 架构证明了 CISC 微处理器没有被 RISC 取代，而 ARM 架构证明了 RISC 已经主导了移动设备市场。

RISC-V 历史

RISC 的首字母缩写词是 1980 年左右由加州大学伯克利分校的 David Patterson 教授创造的，他与斯坦福大学的 John Hennessy 教授合作产生了他们著名的著作《计算机组织与设计》和《计算机架构：一种定量方法》。由于他们在 RISC 架构上的工作，他们在 2017 年获得了ACM AM 图灵奖。

从 1980 年快进到 2010 年，第五代 RISC 研究项目的开发开始了，最终被称为 RISC-V。

RISC-V International——一个开放的 ISA

RISC-V 是一种开放指令集架构 (ISA)，这意味着您可以自由地在微处理器或微控制器中实现 RISC-V CPU，而无需向使用此 ISA 的任何人支付版税。

RISC-V International 是一家全球非营利组织，拥有并维护 RISC-V ISA 知识产权。其主要目标之一是保持 RISC-V 的设计基于简单性和性能，而不是专注于商业利益。出于这个原因，RISC-V International依赖于其代表微处理器生态系统群体的成员，从个人到谷歌、英特尔和英伟达等组织。成为会员有很多好处，包括为 ISA 的设计做出贡献的可能性，以及投票批准提议的更改。在下面的图 1 中，您可以看到多年来 RISC-V 发展的高级时间表。

图 1.自 2010 年问世以来，RISC-V 一直受到微处理器行业的好评，在硬件和软件方面的采用率一直在稳步增长。

RISC-V ISA 和扩展的约定

作为始于 1980 年的第五代研究项目，RISC-V 是一种经验丰富的架构，旨在在其他人过去可能失败的情况下取得成功，RISC-V 旨在从任何潜在的过去错误中学习。

出于这个原因，RISC-V 被设计为模块化 ISA，而不是传统的增量 ISA。这意味着 RISC-V 实现由强制的基本 ISA 和许多 ISA 扩展组成，因此可以根据应用程序的需要定制定制 CPU。

自定义 ISA的命名约定由字母 RV（用于 RISC-V）后跟位宽和变体标识符组成。

例如，图 2 所示的 RV32IMAC 表示：

RV32I：带有基本整数 ISA 的 32 位 CPU

M：整数乘除法扩展

A：原子指令扩展

C：压缩指令扩展 

图 2. RV32IMAC ISA 的指令集显示了 RISC-V 的模块化（非增量）特性。强制性基本 ISA 与一组扩展相结合 。

编译器被告知目标 CPU 中包含的扩展，以便它生成可能的最佳代码。如果代码包含缺少扩展的指令，则硬件会捕获并执行标准库中的软件功能。 

基本整数 ISA

只有 47 条指令，RV32I 基本整数 ISA 实现了绝对必要的操作，以实现 32 位整数的基本功能（其 64 位变体是 RV64I）。此 ISA 以 32 位编码，包括以下指令：

添加

减法

位运算

加载和存储

跳跃

分支机构

基本 ISA 还指定了 32 个 CPU 寄存器，它们都是 32 位宽，加上程序计数器。唯一的特殊寄存器是 x0，它总是读取 0，正如在许多以前的 RISC ISA 中实现的那样。

尽管表 2 中显示的所有寄存器都可用于一般用途，但应用程序二进制接口 (ABI) 根据其调用约定为每个寄存器指定了用途。这意味着一些寄存器应该保存临时或保存的数据、指针、返回地址等。

表 2.  RV32I 寄存器文件显示硬件寄存器名称及其在 RISC-V 应用程序二进制接口中指定的功能。

RISC-V 乘法和浮点

RV32M 扩展实现了 8 条指令来对整数执行乘法和除法（RV64M 在这 8 条指令的基础上增加了 5 条指令）。

RV32F 扩展为 32 位浮点数和 26 条浮点指令增加了 32 个独立的寄存器。同样，RV32D 扩展使用 32 个 64 位浮点寄存器，支持双精度 64 位浮点数。

RISC-V 压缩指令

RV32C 扩展是对 RISC-V ISA 的巧妙补充，因为它为现有指令的特殊子集提供了另一种 16 位编码。 在分析了现代优化编译器生成的无数行代码后，RISC-V 的创建者确定了最流行的指令，并创建了 16 位版本，放弃了其完整 32 位版本的部分功能，这些功能在无论如何，RV32I 基础 ISA。

由于以下说明，这种压缩是可能的：

有些寄存器比其他寄存器更受欢迎。

一个操作数通常会被覆盖。

有一些首选的立即数。 

这允许将有限数量的寄存器的指令编码为操作数，仅指定 2 个寄存器而不是 3 个，使用小的立即数，所有这些都在 16 位中。 通过压缩最常用的指令，您有更好的机会显着压缩程序。

其他 RISC-V 扩展

还有许多额外的扩展，它们实现了现代微处理器所期望的所有功能。这包括嵌入式基础 ISA (RV32E)、原子操作 (A)、位操作 (B)、向量操作 (V) 的扩展，等等。

RISC-V 实现

许多公司在其微控制器、微处理器和 SoC 中制造各种 RISC-V 内核。一个例子是 SiFive，第一家制造基于 RISC-V ISA 的芯片的公司。他们的芯片范围从低端微控制器一直到高性能 SoC。

图 3. RISC-V 框图示例，即 P550 高性能应用处理器的框图。 然而，实际的 RISC-V 项目并不局限于集成电路。在许多领域，如编译器、模拟器、开发环境、操作系统等，有大量正在进行的项目。 总而言之，RISC-V 是计算机体系结构世界中一个令人兴奋的话题，今天是参与其中的好时机。如果您想了解有关此运动的更多信息，请务必访问RISC-V International。  

编辑：黄飞