關(guān)于RISC-V的性能分析和介紹

RISC表示精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。

RISC-V只是伯克利發(fā)明的一種特定指令集架構(gòu)（屬于RISC類型）。

一、簡單就是美——RISC-V架構(gòu)的設(shè)計哲學(xué)

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

筆者最為推崇的一種設(shè)計原則便是：簡單就是美，簡單便意味著可靠。無數(shù)的實際案例已經(jīng)佐證了“簡單即意味著可靠的”真理，反之越復(fù)雜的機器越則越容易出錯。

所謂大道至簡，在IC設(shè)計的實際工作中，筆者曾見過最簡潔的設(shè)計實現(xiàn)安全可靠，也曾見過最繁復(fù)的設(shè)計長時間無法穩(wěn)定收斂。最簡潔的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。

現(xiàn)代的芯片設(shè)計規(guī)模越來越大，復(fù)雜度越來越高，并不是說要求設(shè)計者一味的逃避使用復(fù)雜的技術(shù)，而是應(yīng)該將好鋼用在刀刃上，將最復(fù)雜的設(shè)計用在最為關(guān)鍵的場景，在大多數(shù)有選擇的情況下，盡量選擇簡潔的實現(xiàn)方案。

筆者在第一次閱讀了RISC-V架構(gòu)文檔之時，不禁擊節(jié)贊嘆，拍案驚奇，因為RISC-V架構(gòu)在其文檔中不斷地明確強調(diào)，其設(shè)計哲學(xué)是“大道至簡”，力圖通過架構(gòu)的定義使得硬件的實現(xiàn)足夠簡單。其簡單就是美的哲學(xué)，可以從幾個方面容易看出，后續(xù)小節(jié)將一一加以論述。

1.1 無病一身輕——架構(gòu)的篇幅

在處理器領(lǐng)域，目前主流的架構(gòu)為x86與ARM架構(gòu)，筆者曾經(jīng)參與設(shè)計ARM架構(gòu)的應(yīng)用處理器，因此需要閱讀ARM的架構(gòu)文檔，如果對其熟悉的讀者應(yīng)該了解其篇幅。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代的x86與ARM架構(gòu)的架構(gòu)文檔長達幾百數(shù)千頁。打印出來能有半個桌子高，可真是“著作等身”。

之所以現(xiàn)代x86與ARM架構(gòu)的文檔長達數(shù)千頁，且版本眾多，一個主要的原因是因為其架構(gòu)的發(fā)展的過程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟。

并且作為商用的架構(gòu)，為了能夠保持架構(gòu)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(gòu)部分時為了能夠?qū)⒕鸵呀?jīng)存在的技術(shù)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(gòu)是否能夠選擇重新開始，重新定義一個簡潔的架構(gòu)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(gòu)，則具備了后發(fā)優(yōu)勢，由于計算機體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，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(gòu)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。

目前的“RISC-V架構(gòu)文檔”分為“指令集文檔”（riscv-spec-v2.2.pdf）和“特權(quán)架構(gòu)文檔”（riscv-privileged-v1.10.pdf）?！爸噶罴臋n”的篇幅為145頁，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。熟悉體系結(jié)構(gòu)的工程師僅需一至兩天便可將其通讀，雖然“RISC-V的架構(gòu)文檔”還在不斷地豐富，但是相比“x86的架構(gòu)文檔”與“ARM的架構(gòu)文檔”，RISC-V的篇幅可以說是極其短小精悍。

感興趣的讀者可以在RISC-V基金會的網(wǎng)站上（https://riscv.org/specifications/）無需注冊便可免費下載其文檔，如圖1所示。

圖1 RISC-V基金會網(wǎng)站上的架構(gòu)文檔

1.2 能屈能伸——模塊化的指令集

RISC-V架構(gòu)相比其他成熟的商業(yè)架構(gòu)的最大一個不同還在于它是一個模塊化的架構(gòu)。因此，RISC-V架構(gòu)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(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用。

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

但是模塊化的RISC-V架構(gòu)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(yīng)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(yīng)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。

1.3 濃縮的都是精華——指令的數(shù)量

短小精悍的架構(gòu)以及模塊化的哲學(xué)，使得RISC-V架構(gòu)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。

二、 RISC-V指令集架構(gòu)簡介

本章將對RISC-V的指令集架構(gòu)多方面的特性進行簡要介紹。

2.1 模塊化的指令子集

RISC-V的指令集使用模塊化的方式進行組織，每一個模塊使用一個英文字母來表示。RISC-V最基本也是唯一強制要求實現(xiàn)的指令集部分是由I字母表示的基本整數(shù)指令子集，使用該整數(shù)指令子集，便能夠?qū)崿F(xiàn)完整的軟件編譯器。其他的指令子集部分均為可選的模塊，具有代表性的模塊包括M/A/F/D/C，如表1所示。

表1 RISC-V的模塊化指令集

為了提高代碼密度，RISC-V架構(gòu)也提供可選的“壓縮”指令子集，由英文字母C表示。壓縮指令的指令編碼長度為16比特，而普通的非壓縮指令的長度為32比特。以上這些模塊的一個特定組合“IMAFD”，也被稱為“通用”組合，由英文字母G表示。因此RV32G表示RV32IMAFD，同理RV64G表示RV64IMAFD。

為了進一步減少面積，RISC-V架構(gòu)還提供一種“嵌入式”架構(gòu)，由英文字母E表示。該架構(gòu)主要用于追求極低面積與功耗的深嵌入式場景。該架構(gòu)僅需要支持16個通用整數(shù)寄存器，而非嵌入式的普通架構(gòu)則需要支持32個通用整數(shù)寄存器。

通過以上的模塊化指令集，能夠選擇不同的組合來滿足不同的應(yīng)用。譬如，追求小面積低功耗的嵌入式場景可以選擇使用RV32EC架構(gòu)；而大型的64位架構(gòu)則可以選擇RV64G。

除了上述的模塊，還有若干的模塊包括L、B、P、V和T等。這些擴展目前大多數(shù)還在不斷完善和定義中，尚未最終確定，因此本文在此不做詳細論述。

2.2 可配置的通用寄存器組

RISC-V架構(gòu)支持32位或者64位的架構(gòu)，32位架構(gòu)由RV32表示，其每個通用寄存器的寬度為32比特；64位架構(gòu)由RV64表示，其每個通用寄存器的寬度為64比特。

RISC-V架構(gòu)的整數(shù)通用寄存器組，包含32個（I架構(gòu)）或者16個（E架構(gòu)）通用整數(shù)寄存器，其中整數(shù)寄存器0被預(yù)留為常數(shù)0，其他的31個（I架構(gòu)）或者15個（E架構(gòu)）為普通的通用整數(shù)寄存器。

如果使用了浮點模塊（F或者D），則需要另外一個獨立的浮點寄存器組，包含32個通用浮點寄存器。如果僅使用F模塊的浮點指令子集，則每個通用浮點寄存器的寬度為32比特；如果使用了D模塊的浮點指令子集，則每個通用浮點寄存器的寬度為64比特。

2.3 規(guī)整的指令編碼

在流水線中能夠盡早盡快的讀取通用寄存器組，往往是處理器流水線設(shè)計的期望之一，這樣可以提高處理器性能和優(yōu)化時序。這個看似簡單的道理在很多現(xiàn)存的商用RISC架構(gòu)中都難以實現(xiàn)，因為經(jīng)過多年反復(fù)修改不斷添加新指令后，其指令編碼中的寄存器索引位置變得非常的凌亂，給譯碼器造成了負擔(dān)。

得益于后發(fā)優(yōu)勢和總結(jié)了多年來處理器發(fā)展的教訓(xùn)，RISC-V的指令集編碼非常的規(guī)整，指令所需的通用寄存器的索引（Index）都被放在固定的位置，如圖2所示。因此指令譯碼器（Instruction Decoder）可以非常便捷的譯碼出寄存器索引然后讀取通用寄存器組（Register File，Regfile）。

圖2 RV32I規(guī)整的指令編碼格式

2.4 簡潔的存儲器訪問指令

與所有的RISC處理器架構(gòu)一樣，RISC-V架構(gòu)使用專用的存儲器讀（Load）指令和存儲器寫（Store）指令訪問存儲器（Memory），其他的普通指令無法訪問存儲器，這種架構(gòu)是RISC架構(gòu)的常用的一個基本策略，這種策略使得處理器核的硬件設(shè)計變得簡單。

存儲器訪問的基本單位是字節(jié)（Byte）。RISC-V的存儲器讀和存儲器寫指令支持一個字節(jié)（8位），半字（16位），單字（32位）為單位的存儲器讀寫操作，如果是64位架構(gòu)還可以支持一個雙字（64位）為單位的存儲器讀寫操作。

RISC-V架構(gòu)的存儲器訪問指令還有如下顯著特點：

為了提高存儲器讀寫的性能，RISC-V架構(gòu)推薦使用地址對齊的存儲器讀寫操作，但是地址非對齊的存儲器操作RISC-V架構(gòu)也支持，處理器可以選擇用硬件來支持，也可以選擇用軟件來支持。

由于現(xiàn)在的主流應(yīng)用是小端格式（Little-Endian），RISC-V架構(gòu)僅支持小端格式。有關(guān)小端格式和大端格式的定義和區(qū)別，本文在此不做過多介紹，若對此不甚了解的初學(xué)者可以自行查閱學(xué)習(xí)。

很多的RISC處理器都支持地址自增或者自減模式，這種自增或者自減的模式雖然能夠提高處理器訪問連續(xù)存儲器地址區(qū)間的性能，但是也增加了設(shè)計處理器的難度。RISC-V架構(gòu)的存儲器讀和存儲器寫指令不支持地址自增自減的模式。

RISC-V架構(gòu)采用松散存儲器模型（Relaxed Memory Model），松散存儲器模型對于訪問不同地址的存儲器讀寫指令的執(zhí)行順序不作要求，除非使用明確的存儲器屏障（Fence）指令加以屏蔽。

這些選擇都清楚地反映了RISC-V架構(gòu)力圖簡化基本指令集，從而簡化硬件設(shè)計的哲學(xué)。RISC-V架構(gòu)如此定義非常合理，能夠達到能屈能伸的效果。譬如：對于低功耗的簡單CPU，可以使用非常簡單的硬件電路即可完成設(shè)計；而對于追求高性能的超標量處理器則可以通過復(fù)雜設(shè)計的動態(tài)硬件調(diào)度能力來提高性能。

2.5 高效的分支跳轉(zhuǎn)指令

RISC-V架構(gòu)有兩條無條件跳轉(zhuǎn)指令（Unconditional Jump），jal與jalr指令。跳轉(zhuǎn)鏈接（Jump and Link）指令jal可用于進行子程序調(diào)用，同時將子程序返回地址存在鏈接寄存器（Link Register：由某一個通用整數(shù)寄存器擔(dān)任）中。跳轉(zhuǎn)鏈接寄存器（Jump and Link-Register）指令jalr指令能夠用于子程序返回指令，通過將jal指令（跳轉(zhuǎn)進入子程序）保存的鏈接寄存器用于jalr指令的基地址寄存器，則可以從子程序返回。

RISC-V架構(gòu)有6條帶條件跳轉(zhuǎn)指令（Conditional Branch），這種帶條件的跳轉(zhuǎn)指令跟普通的運算指令一樣直接使用2個整數(shù)操作數(shù)，然后對其進行比較，如果比較的條件滿足時，則進行跳轉(zhuǎn)。因此，此類指令將比較與跳轉(zhuǎn)兩個操作放到了一條指令里完成。

作為比較，很多的其他RISC架構(gòu)的處理器需要使用兩條獨立的指令。第一條指令先使用比較指令，比較的結(jié)果被保存到狀態(tài)寄存器之中；第二條指令使用跳轉(zhuǎn)指令，判斷前一條指令保存在狀態(tài)寄存器當(dāng)中的比較結(jié)果為真時則進行跳轉(zhuǎn)。相比而言RISC-V的這種帶條件跳轉(zhuǎn)指令不僅減少了指令的條數(shù)，同時硬件設(shè)計上更加簡單。

對于沒有配備硬件分支預(yù)測器的低端CPU，為了保證其性能，RISC-V的架構(gòu)明確要求其采用默認的靜態(tài)分支預(yù)測機制，即：如果是向后跳轉(zhuǎn)的條件跳轉(zhuǎn)指令，則預(yù)測為“跳”；如果是向前跳轉(zhuǎn)的條件跳轉(zhuǎn)指令，則預(yù)測為“不跳”，并且RISC-V架構(gòu)要求編譯器也按照這種默認的靜態(tài)分支預(yù)測機制來編譯生成匯編代碼，從而讓低端的CPU也能得到不錯的性能。

為了使硬件設(shè)計盡量簡單，RISC-V架構(gòu)特地定義了所有的帶條件跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)目標的偏移量（相對于當(dāng)前指令的地址）都是有符號數(shù)，并且其符號位被編碼在固定的位置。因此，這種靜態(tài)預(yù)測機制在硬件上非常容易實現(xiàn)，硬件譯碼器可以輕松的找到這個固定的位置，并判斷其是0還是1來判斷其是正數(shù)還是負數(shù)，如果是負數(shù)則表示跳轉(zhuǎn)的目標地址為當(dāng)前地址減去偏移量，也就是向后跳轉(zhuǎn)，則預(yù)測為“跳”。當(dāng)然對于配備有硬件分支預(yù)測器的高端CPU，則可以采用高級的動態(tài)分支預(yù)測機制來保證性能。

2.6 簡潔的子程序調(diào)用

為了理解此節(jié)，需先對一般RISC架構(gòu)中程序調(diào)用子函數(shù)的過程予以介紹，其過程如下：

進入子函數(shù)之后需要用存儲器寫（Store）指令來將當(dāng)前的上下文（通用寄存器等的值）保存到系統(tǒng)存儲器的堆棧區(qū)內(nèi)，這個過程通常稱為“保存現(xiàn)場”。

在退出子程序之時，需要用存儲器讀（Load）指令來將之前保存的上下文（通用寄存器等的值）從系統(tǒng)存儲器的堆棧區(qū)讀出來，這個過程通常稱為“恢復(fù)現(xiàn)場”。

“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的過程通常由編譯器編譯生成的指令來完成，使用高層語言（譬如C或者C++）開發(fā)的開發(fā)者對此可以不用太關(guān)心。高層語言的程序中直接寫上一個子函數(shù)調(diào)用即可，但是這個底層發(fā)生的“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的過程卻是實實在在地發(fā)生著（可以從編譯出的匯編語言里面看到那些“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的匯編指令），并且還需要消耗若干的CPU執(zhí)行時間。

為了加速這個“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的過程，有的RISC架構(gòu)發(fā)明了一次寫多個寄存器到存儲器中（Store Multiple），或者一次從存儲器中讀多個寄存器出來（Load Multiple）的指令，此類指令的好處是一條指令就可以完成很多事情，從而減少匯編指令的代碼量，節(jié)省代碼的空間大小。但是此種“Load Multiple”和“Store Multiple”的弊端是會讓CPU的硬件設(shè)計變得復(fù)雜，增加硬件的開銷，也可能損傷時序使得CPU的主頻無法提高，筆者在曾經(jīng)設(shè)計此類處理器時便深受其苦。

RISC-V架構(gòu)則放棄使用這種“Load Multiple”和“Store Multiple”指令。并解釋，如果有的場合比較介意這種“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的指令條數(shù)，那么可以使用公用的程序庫（專門用于保存和恢復(fù)現(xiàn)場）來進行，這樣就可以省掉在每個子函數(shù)調(diào)用的過程中都放置數(shù)目不等的“保存現(xiàn)場”和“恢復(fù)現(xiàn)場”的指令。

此選擇再次印證了RISC-V追求硬件簡單的哲學(xué)，因為放棄“Load Multiple”和“Store Multiple”指令可以大幅簡化CPU的硬件設(shè)計，對于低功耗小面積的CPU可以選擇非常簡單的電路進行實現(xiàn)，而高性能超標量處理器由于硬件動態(tài)調(diào)度能力很強，可以有強大的分支預(yù)測電路保證CPU能夠快速的跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，從而可以選擇使用公用的程序庫（專門用于保存和恢復(fù)現(xiàn)場）的方式減少代碼量，但是同時達到高性能。

2.7 無條件碼執(zhí)行

很多早期的RISC架構(gòu)發(fā)明了帶條件碼的指令，譬如在指令編碼的頭幾位表示的是條件碼（Conditional Code），只有該條件碼對應(yīng)的條件為真時，該指令才被真正執(zhí)行。

這種將條件碼編碼到指令中的形式可以使得編譯器將短小的循環(huán)編譯成帶條件碼的指令，而不用編譯成分支跳轉(zhuǎn)指令。這樣便減少了分支跳轉(zhuǎn)的出現(xiàn)，一方面減少了指令的數(shù)目；另一方面也避免了分支跳轉(zhuǎn)帶來的性能損失。然而，這種“條件碼”指令的弊端同樣會使得CPU的硬件設(shè)計變得復(fù)雜，增加硬件的開銷，也可能損傷時序使得CPU的主頻無法提高，筆者在曾經(jīng)設(shè)計此類處理器時便深受其苦。

RISC-V架構(gòu)則放棄使用這種帶“條件碼”指令的方式，對于任何的條件判斷都使用普通的帶條件分支跳轉(zhuǎn)指令。此選擇再次印證了RISC-V追求硬件簡單的哲學(xué)，因為放棄帶“條件碼”指令的方式可以大幅簡化CPU的硬件設(shè)計，對于低功耗小面積的CPU可以選擇非常簡單的電路進行實現(xiàn)，而高性能超標量處理器由于硬件動態(tài)調(diào)度能力很強，可以有強大的分支預(yù)測電路保證CPU能夠快速的跳轉(zhuǎn)執(zhí)行達到高性能。

2.8 無分支延遲槽

很多早期的RISC架構(gòu)均使用了“分支延遲槽（Delay Slot）”，最具有代表性的便是MIPS架構(gòu)，在很多經(jīng)典的計算機體系結(jié)構(gòu)教材中，均使用MIPS對分支延遲槽進行過介紹。分支延遲槽就是指在每一條分支指令后面緊跟的一條或者若干條指令不受分支跳轉(zhuǎn)的影響，不管分支是否跳轉(zhuǎn)，這后面的幾條指令都一定會被執(zhí)行。

早期的RISC架構(gòu)很多采用了分支延遲槽誕生的原因主要是因為當(dāng)時的處理器流水線比較簡單，沒有使用高級的硬件動態(tài)分支預(yù)測器，所以使用分支延遲槽能夠取得可觀的性能效果。然而，這種分支延遲槽使得CPU的硬件設(shè)計變得極為的別扭，CPU設(shè)計人員對此往往苦不堪言。

RISC-V架構(gòu)則放棄了分支延遲槽，再次印證了RISC-V力圖簡化硬件的哲學(xué)，因為現(xiàn)代的高性能處理器的分支預(yù)測算法精度已經(jīng)非常高，可以有強大的分支預(yù)測電路保證CPU能夠準確的預(yù)測跳轉(zhuǎn)執(zhí)行達到高性能。而對于低功耗小面積的CPU，由于無需支持分支延遲槽，硬件得到極大簡化，也能進一步減少功耗和提高時序。

2.9 無零開銷硬件循環(huán)

很多RISC架構(gòu)還支持零開銷硬件循環(huán)（Zero Overhead Hardware Loop）指令，其思想是通過硬件的直接參與，通過設(shè)置某些循環(huán)次數(shù)寄存器（Loop Count），然后可以讓程序自動地進行循環(huán)，每一次循環(huán)則Loop Count自動減1，這樣持續(xù)循環(huán)直到Loop Count的值變成0，則退出循環(huán)。

之所以提出發(fā)明這種硬件協(xié)助的零開銷循環(huán)是因為在軟件代碼中的for 循環(huán)（for i=0; i

然有得必有失，此類零開銷硬件循環(huán)指令大幅地增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜度。因此，零開銷循環(huán)指令與RISC-V架構(gòu)簡化硬件的哲學(xué)是完全相反的，在RISC-V架構(gòu)中自然沒有使用此類零開銷硬件循環(huán)指令。

2.10 簡潔的運算指令

在本章第2.1節(jié)中曾經(jīng)提到RISC-V架構(gòu)使用模塊化的方式組織不同的指令子集，最基本的整數(shù)指令子集（I字母表示）支持的運算包括加法、減法、移位、按位邏輯操作和比較操作。這些基本的運算操作能夠通過組合或者函數(shù)庫的方式完成更多的復(fù)雜操作（譬如乘除法和浮點操作），從而能夠完成大多數(shù)的軟件操作。

整數(shù)乘除法指令子集（M字母表示）支持的運算包括，有符號或者無符號的乘法和除法操作。乘法操作能夠支持兩個32位的整數(shù)相乘得到一個64位的結(jié)果；除法操作能夠支持兩個32位的整數(shù)相除得到一個32位的商與32位的余數(shù)。

單精度浮點指令子集（F字母表示）與雙精度浮點指令子集（D字母表示）支持的運算包括浮點加減法，乘除法，乘累加，開平方根和比較等操作，同時提供整數(shù)與浮點，單精度與雙精度浮點彼此之間的格式轉(zhuǎn)換操作。

很多RISC架構(gòu)的處理器在運算指令產(chǎn)生錯誤之時，譬如上溢（Overflow）、下溢（Underflow）、非規(guī)格化浮點數(shù)（Subnormal）和除零（Divide by Zero），都會產(chǎn)生軟件異常。RISC-V架構(gòu)的一個特殊之處是對任何的運算指令錯誤（包括整數(shù)與浮點指令）均不產(chǎn)生異常，而是產(chǎn)生某個特殊的默認值，同時，設(shè)置某些狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位。RISC-V架構(gòu)推薦軟件通過其他方法來找到這些錯誤。再次清楚地反映了RISC-V架構(gòu)力圖簡化基本的指令集，從而簡化硬件設(shè)計的哲學(xué)。

2.11 優(yōu)雅的壓縮指令子集

基本的RISC-V基本整數(shù)指令子集（字母I表示 ）規(guī)定的指令長度均為等長的32位，這種等長指令定義使得僅支持整數(shù)指令子集的基本RISC-V CPU非常容易設(shè)計。但是等長的32位編碼指令也會造成代碼體積（Code Size）相對較大的問題。

為了滿足某些對于代碼體積要求較高的場景（譬如嵌入式領(lǐng)域），RISC-V定義了一種可選的壓縮（Compressed）指令子集，由字母C表示，也可以由RVC表示。RISC-V具有后發(fā)優(yōu)勢，從一開始便規(guī)劃了壓縮指令，預(yù)留了足夠的編碼空間，16位長指令與普通的32位長指令可以無縫自由地交織在一起，處理器也沒有定義額外的狀態(tài)。

RISC-V壓縮指令的另外一個特別之處是，16位指令的壓縮策略是將一部分普通最常用的的32位指令中的信息進行壓縮重排得到（譬如假設(shè)一條指令使用了兩個同樣的操作數(shù)索引，則可以省去其中一個索引的編碼空間），因此每一條16位長的指令都能一一找到其對應(yīng)的原始32位指令。因此，程序編譯成為壓縮指令僅在匯編器階段就可以完成，極大的簡化了編譯器工具鏈的負擔(dān)。

RISC-V架構(gòu)的研究者進行了詳細的代碼體積分析，如圖3所示，通過分析結(jié)果可以看出，RV32C的代碼體積相比RV32的代碼體積減少了百分之四十，并且與ARM，MIPS和x86等架構(gòu)相比都有不錯的表現(xiàn)。

圖3 各指令集架構(gòu)的代碼密度比較（數(shù)據(jù)越小越好）

2.12 特權(quán)模式

RISC-V架構(gòu)定義了三種工作模式，又稱特權(quán)模式（Privileged Mode）：

Machine Mode：機器模式，簡稱M Mode。

Supervisor Mode：監(jiān)督模式，簡稱S Mode。

User Mode：用戶模式，簡稱U Mode。

RISC-V架構(gòu)定義M Mode為必選模式，另外兩種為可選模式。通過不同的模式組合可以實現(xiàn)不同的系統(tǒng)。

RISC-V架構(gòu)也支持幾種不同的存儲器地址管理機制，包括對于物理地址和虛擬地址的管理機制，使得RISC-V架構(gòu)能夠支持從簡單的嵌入式系統(tǒng)（直接操作物理地址）到復(fù)雜的操作系統(tǒng)（直接操作虛擬地址）的各種系統(tǒng)。

2.13 CSR寄存器

RISC-V架構(gòu)定義了一些控制和狀態(tài)寄存器（Control and Status Register，CSR），用于配置或記錄一些運行的狀態(tài)。CSR寄存器是處理器核內(nèi)部的寄存器，使用其自己的地址編碼空間和存儲器尋址的地址區(qū)間完全無關(guān)系。

CSR寄存器的訪問采用專用的CSR指令，包括CSRRW、CSRRS、CSRRC、CSRRWI、CSRRSI以及CSRRCI指令。

2.14 中斷和異常

中斷和異常機制往往是處理器指令集架構(gòu)中最為復(fù)雜而關(guān)鍵的部分。RISC-V架構(gòu)定義了一套相對簡單基本的中斷和異常機制，但是也允許用戶對其進行定制和擴展。

2.15 矢量指令子集

RISC-V架構(gòu)目前雖然還沒有定型矢量（Vector）指令子集，但是從目前的草案中已經(jīng)可以看出，RISC-V矢量指令子集的設(shè)計理念非常的先進，由于后發(fā)優(yōu)勢及借助矢量架構(gòu)多年發(fā)展成熟的結(jié)論，RISC-V架構(gòu)將使用可變長度的矢量，而不是矢量定長的SIMD指令集（譬如ARM的NEON和Intel的MMX），從而能夠靈活的支持不同的實現(xiàn)。追求低功耗小面積的CPU可以選擇使用長度較短的硬件矢量進行實現(xiàn)，而高性能的CPU則可以選擇較長的硬件矢量進行實現(xiàn)，并且同樣的軟件代碼能夠彼此兼容。

2.16 自定制指令擴展

除了上述闡述的模塊化指令子集的可擴展、可選擇，RISC-V架構(gòu)還有一個非常重要的特性，那就是支持第三方的擴展。用戶可以擴展自己的指令子集，RISC-V預(yù)留了大量的指令編碼空間用于用戶的自定義擴展，同時，還定義了四條Custom指令可供用戶直接使用，每條Custom指令都有幾個比特位的子編碼空間預(yù)留，因此，用戶可以直接使用四條Custom指令擴展出幾十條自定義的指令。

2.17 總結(jié)與比較

處理器設(shè)計技術(shù)經(jīng)過幾十年的衍進，隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展直至今天，呈現(xiàn)出如下特點：

由于高性能處理器的硬件調(diào)度能力已經(jīng)非常強勁且主頻很高，因此，硬件設(shè)計希望指令集盡可能的規(guī)整、簡單，從而，使得處理器可以設(shè)計出更高的主頻與更低的面積。

以IoT應(yīng)用為主的極低功耗處理器更加苛求低功耗與低面積。

存儲器的資源也比早期的RISC處理器更加豐富。

如上種種這些因素，使得很多早期的RISC架構(gòu)設(shè)計理念（依據(jù)當(dāng)時技術(shù)背景而誕生），時至今日不僅不能幫助現(xiàn)代處理器設(shè)計，反而成了負擔(dān)桎梏。某些早期RISC架構(gòu)定義的特性，一方面使得高性能處理器的硬件設(shè)計束手束腳；另一方面又使得極低功耗的處理器硬件設(shè)計背負不必要的復(fù)雜度。

得益于后發(fā)優(yōu)勢，全新的RISC-V架構(gòu)能夠規(guī)避所有這些已知的負擔(dān)，同時，利用其先進的設(shè)計哲學(xué)，設(shè)計出一套“現(xiàn)代”的指令集。本節(jié)再次將其特點總結(jié)如表2所示。

表2 RISC-V指令集架構(gòu)特點總結(jié)

一言以蔽之，RISC-V的特點在于極簡、模塊化以及可定制擴展，通過這些指令集的組合或者擴展，你幾乎可以構(gòu)建適用于任何一個領(lǐng)域的微處理器，比如云計算、存儲、并行計算、虛擬化/容器、MCU、應(yīng)用處理器和DSP處理器等。

三、RISC-V和其他開放架構(gòu)有何不同 如果僅從“免費”或“開放”這兩點來評判，RISC-V架構(gòu)并不是第一個做到免費或開放的處理器架構(gòu)。

下文將通過論述幾個具有代表性的開放架構(gòu)，來分析RISC-V架構(gòu)的不同之處以及為什么其他開放架構(gòu)沒能取得足夠的成功。

3.1 平民英雄——OpenRISC

OpenRISC是OpenCores組織提供的基于GPL協(xié)議的開放源代碼RISC處理器。

OpenRISC具有以下特點：

采用免費開放的32/64位 RISC架構(gòu)。

用Verilog HDL（硬件描述語言）實現(xiàn)了基于該架構(gòu)的處理器源代碼。

具有完整的工具鏈。

OpenRISC被應(yīng)用到很多公司的項目之中?？梢哉f，OpenRISC是應(yīng)用非常廣泛的一種開源處理器實現(xiàn)。

OpenRISC的不足之處在于其側(cè)重于實現(xiàn)一種開源的CPU Core，而非立足于定義一種開放的指令集架構(gòu)，因此其架構(gòu)的發(fā)展不夠完整，指令集的定義也不具備上節(jié)中提到的RISC-V架構(gòu)的優(yōu)點，更加沒有上升到成立專門的基金會組織的高度。OpenRISC更多的時候被認為是一個開源的Core，而非一種優(yōu)美的指令集架構(gòu)。此外，OpenRISC的許可證為GPL，這意味著所有的指令集改動都必須開源（而RISC-V則無此約束）。

3.2 豪門顯貴——SPARC

SPARC架構(gòu)作為經(jīng)典的RISC微處理器架構(gòu)之一，SPARC最早于1985年由Sun電腦所設(shè)計。SPARC也是SPARC國際公司的注冊商標之一，這家公司于1989年成立，目的是向外界推廣SPARC架構(gòu)以及為該架構(gòu)進行兼容性測試。該公司為了推廣SPARC的生態(tài)系統(tǒng)，SPARC國際公司將標準開放，并授權(quán)予多家生產(chǎn)商采用，包括德州儀器、Cypress半導(dǎo)體和富士通等。由于SPARC架構(gòu)也對外完全開放，因此，也出現(xiàn)了完全開放源碼的LEON處理器。不僅如此，Sun公司還于1994年推動SPARC v8架構(gòu)成為IEEE標準（IEEE Standard 1754-1994）。

由于SPARC架構(gòu)的初衷是面向服務(wù)器領(lǐng)域而設(shè)計，其最大的特點是擁有一個大型的寄存器窗口，符合SPARC架構(gòu)的處理器需要實現(xiàn)從72到640個之多的通用寄存器，每個寄存器寬度為64bits，組成一系列的寄存器組，稱之為寄存器窗口。

這種寄存器窗口的架構(gòu)，由于可以切換不同的寄存器組快速地響應(yīng)函數(shù)調(diào)用與返回，因此，能夠產(chǎn)生非常高的性能，但是這種架構(gòu)由于功耗面積代價太大，而并不適用于PC與嵌入式領(lǐng)域處理器。而SPARC架構(gòu)也不具備模塊化的特點，使得用戶無法裁剪和選擇。很難作為一種通用的處理器架構(gòu)對商用的x86和ARM架構(gòu)形成替代。

設(shè)計這種超大服務(wù)器CPU芯片又非普通公司與個人所能涉足，而有能力設(shè)計這種大型CPU的公司也沒有必要投入巨大的成本來挑戰(zhàn)x86的統(tǒng)治地位。隨著Sun公司的衰弱，SPARC架構(gòu)現(xiàn)在基本上退出了人們的視野。感興趣的讀者請在網(wǎng)絡(luò)上自行搜索文章《再見SPARC處理器，再見Sun》

3.3 名校優(yōu)生——RISC-V

關(guān)于RISC-V在伯克利大學(xué)誕生的經(jīng)歷，本節(jié)在此不做重復(fù)贅述。

因為多年來在CPU領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)過多個免費或開放的架構(gòu)，很多高校也在科研項目中推出過多種指令集架構(gòu)。因此，當(dāng)筆者第一次聽說RISC-V之時，以為又是一個玩具，或純粹學(xué)術(shù)性質(zhì)的科研項目而不以為意。

直到筆者親自通讀了一遍RISC-V的架構(gòu)文檔，不禁為其先進的設(shè)計理念所折服。同時，RISC-V架構(gòu)的各種優(yōu)點也得到了眾多專業(yè)人士的青睞好評和眾多商業(yè)公司的相繼加盟。并且2016年RISC-V基金會的正式啟動在業(yè)界引起了不小的影響。如此種種，使得RISC-V成為至今為止最具備革命性意義的開放處理器架構(gòu)。