簡單就是美——RISC-V架構的設計哲學

RISC-V架構作為一種指令集架構，在介紹細節(jié)之前，讓我們先了解設計的哲學。所謂設計的“哲學”便是其推崇的一種策略，譬如說我們熟知的日本車的設計哲學是經(jīng)濟省油，美國車的設計哲學是霸氣外漏等。RISC-V架構的設計哲學是什么呢？是“大道至簡”。

所謂大道至簡，在IC設計的實際工作中， 最簡潔的設計往往是最可靠的，在大多數(shù)的項目實踐中一次次的得到檢驗。

IC設計的工作性質(zhì)非常特殊，其最終的產(chǎn)出是芯片，而一款芯片的設計和制造周期均很長，無法像軟件代碼那樣輕易的升級和打補丁，每一次芯片的改版到交付都需要幾個月的周期。不僅如此，芯片的一次制造成本費用高昂，從幾十萬美金到百千萬美金不等。這些特性都決定了IC設計的試錯成本極為高昂，因此能夠有效的降低錯誤的發(fā)生就顯得非常的重要。

RISC-V架構在其文檔中不斷地明確強調(diào)，其設計哲學是“大道至簡”，力圖通過架構的定義使得硬件的實現(xiàn)足夠簡單。其簡單就是美的哲學，可以從幾個方面容易看出。

1、無病一身輕——架構的篇幅

在處理器領域，目前主流的架構為x86與ARM架構， 現(xiàn)代的x86與ARM架構的架構文檔長達幾百數(shù)千頁，且版本眾多，一個主要的原因是因為其架構的發(fā)展的過程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構技術的不斷發(fā)展成熟。

并且作為商用的架構，為了能夠保持架構的向后兼容性，其不得不保留許多過時的定義，或者在定義新的架構部分時為了能夠?qū)⒕鸵呀?jīng)存在的技術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)代成熟的架構是否能夠選擇重新開始，重新定義一個簡潔的架構呢，可以說是幾乎不可能。其中一個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回家，之前所有的軟件都無法運行而變磚，那肯定是無法讓人接受的。

而現(xiàn)在才推出的RISC-V架構，則具備了后發(fā)優(yōu)勢，由于計算機體系結構經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術，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架構能夠加以規(guī)避，并且沒有背負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架構相比其他成熟的商業(yè)架構的最大一個不同還在于它是一個模塊化的架構。因此，RISC-V架構不僅短小精悍，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)一的架構滿足各種不同的應用。

這種模塊化是x86與ARM架構所不具備的。以ARM的架構為例，ARM的架構分為A、R和M三個系列，分別針對于Application（應用操作系統(tǒng)）、Real-Time（實時）和Embedded（嵌入式）三個領域，彼此之間并不兼容。

但是模塊化的RISC-V架構能夠使得用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，以滿足不同的應用場景，可以說是“老少咸宜”。譬如針對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（機器模式）；而高性能應用操作系統(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

短小精悍的架構以及模塊化的哲學，使得RISC-V架構的指令數(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展指令總共幾十條指令。

RISC-V最適合的領域

對于一些工程團隊而言，使用基于RISC-V的處理器實現(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)，因為RISC-V具有高度可擴展性。這些加速器通常對用戶是隱藏的，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。對于他們的情況，則需要一些超出標準化架構的東西。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，當你尋求特殊功能，想要下一級別的創(chuàng)新的時候，RISC-V便有了用武之地?！?/p>

在硬件安全方面也是如此。人們通常認為開源硬件是更安全的，因為它是由更多的人為更多的終端應用開發(fā)的。

Rambus公司首席技術官Martin Scott表示：“物聯(lián)網(wǎng)是非常危險的生態(tài)系統(tǒng)，需要保護。從芯片到云，以及中間的任何地方，都存在漏洞。設計中可能存在固有漏洞，這些漏洞連接到不安全的臨時全球網(wǎng)絡和軟件棧。有很多不同的流程（包括業(yè)務流程和安全流程）都需要管理，沒有中央機構或中央標準?！?/p>

斯科特說，有一些實用的方法來處理硬件安全問題，例如使用安全層。但他補充說，開源的一個關鍵優(yōu)勢在于，人們能夠共享關于漏洞在何處出現(xiàn)以及如何解決這些漏洞的信息?！拔覀兪褂肦ISC-V的原因是，我們可以操作ISA以保證安全。這非常重要。微架構的實現(xiàn)和架構本身一樣重要，因為從旁路攻擊的角度來看，以不同方式完成的等效功能實現(xiàn)可能會產(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，器件正在向更異構化的方向轉(zhuǎn)變，專用處理器也是如此?！巴ㄓ玫挠嬎惴绞綍兓瘑酭ISC-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域使用RISC-V，它正在取代執(zhí)行非常專業(yè)任務的專用內(nèi)核。這意義重大，因為你可以靈活地操作架構，去做一些瑣碎的工作，構建接口。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、指令集和架構方面的巨額投資，RISC-V還可能通過專有架構獲得青睞?！傲硪粋€方面是臨界質(zhì)量，開發(fā)維持低于臨界點（critical mass）的東西可能非常昂貴。對于像英偉達這樣的公司，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，因為他們可以利用其他的一切?！?/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)務模式不變——它們授權使用內(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，達到臨界點（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一樣繼續(xù)下去?！捌渌軜嬕呀?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靈活性的Tensilica，還是RISC-V處理器。它們都與ARM應用處理器和ARM嵌入式處理器共存?！?/p>

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

Whitfield補充道：“你必須記住RISC-V是一個架構，到頭來就是一張紙。Andes、Codasip，以及其他公司將建立一個微架構。這既昂貴又困難。ARM不僅僅是CPU架構，還是一家IP公司和一個系統(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——這絕對不是零和游戲。其他架構一直都有空間。在有技術意義的地方，我看到了深度嵌入的專有類型。也許將來會有別的東西。ARM沒有理由不以某種方式復制同樣的優(yōu)點。處理器可能會有不同的未來，ARM必須開發(fā)不同的IP來填補這個空白?！?/p>