如何使用RISC-V創(chuàng)建自定義處理器

RISC-V（風(fēng)險(xiǎn)五）基金會(huì)將開源自由與標(biāo)準(zhǔn)化的好處融合在一起，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。它的內(nèi)核規(guī)格穩(wěn)定且一經(jīng)批準(zhǔn)就可以使用，軟，硬CPU內(nèi)核以及芯片，開發(fā)板和工具已在市場上出售，并且主要公司已開始采用RISC-V來替代其自定義體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)吸引人的一個(gè)關(guān)鍵特征是，CPU開發(fā)人員可以在不犧牲為基本標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的工具和庫的適用性的情況下，使RISC-V功能適應(yīng)其需求。適應(yīng)的關(guān)鍵在于了解RISC-V的模塊化指令集體系結(jié)構(gòu)。

RISC-V最初是UC Berkeley的簡化指令集計(jì)算（RISC）設(shè)計(jì)工作的第五次迭代，但隨后迅速地從學(xué)術(shù)研究演變成旨在重新定義電子行業(yè)處理硬件設(shè)計(jì)方法的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前，系統(tǒng)開發(fā)人員必須選擇通常針對特定應(yīng)用程序空間進(jìn)行了優(yōu)化的專有CPU架構(gòu)，或者設(shè)計(jì)自己的CPU架構(gòu)。但是，通過追求自己的設(shè)計(jì)，開發(fā)人員放棄了已建立的CPU開發(fā)的廣泛支持生態(tài)系統(tǒng)。有一個(gè)折衷方案：采用專有的CPU架構(gòu)來獲得自定義功能，同時(shí)保留許多支持生態(tài)系統(tǒng)。不幸的是，由于專有架構(gòu)的高昂架構(gòu)許可費(fèi)用，這種折衷對于許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言是不切實(shí)際的。

RISC-V計(jì)劃試圖為設(shè)計(jì)人員提供一種替代方案，該方案允許定制和創(chuàng)新，同時(shí)保留許多標(biāo)準(zhǔn)化的好處。為此，RISC-V Foundation維護(hù)并推動(dòng)了模塊化，開源RISC-V處理器指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）的社區(qū)發(fā)展，該體系結(jié)構(gòu)旨在滿足從嵌入式系統(tǒng)到服務(wù)器場以及其他應(yīng)用的需求。該體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范可以免費(fèi)下載，開發(fā)人員可以自由地基于ISA實(shí)施設(shè)計(jì)，而無需支付許可費(fèi)用。他們也沒有義務(wù)像其他開源計(jì)劃一樣將其設(shè)計(jì)提供給其他人。ISA是開源的。如果開發(fā)人員愿意，則各個(gè)設(shè)計(jì)，硬件體系結(jié)構(gòu)和自定義項(xiàng)可以保持專有。

該倡議取得了可觀的勢頭。現(xiàn)在有商業(yè)和開放源代碼的RISC-V芯片和內(nèi)核可用。公司如SiFive，GreenWaves技術(shù)，以及Microsemi的對他們的RISC-V實(shí)現(xiàn)開發(fā)板。開發(fā)工具，軟件庫和操作系統(tǒng)端口（包括Linux）都是當(dāng)前RISC-V支持生態(tài)系統(tǒng)的一部分。不過，要充分利用對定制設(shè)計(jì)的所有支持，首先要仔細(xì)研究RISC-V ISA的結(jié)構(gòu)。

基本規(guī)格

定義RISC-V ISA的兩個(gè)關(guān)鍵文檔是：用戶級ISA規(guī)范和特權(quán)ISA規(guī)范。在這些定義中，既定義了基本需求，又定義了許多標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化擴(kuò)展。標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展是模塊化的，因?yàn)樵贑PU設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)任何給定的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展都不會(huì)干擾任何其他標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)。一些擴(kuò)展可以在其他擴(kuò)展的基礎(chǔ)上構(gòu)建，但是，要求將基本擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)為所需擴(kuò)展的一部分。

總體設(shè)計(jì)基于寄存器，需要進(jìn)行所有操作的31個(gè)通用寄存器，并具有對通用存儲空間的加載和存儲訪問。已經(jīng)為32位，64位和128位地址空間定義了指令集，并定義了額外的減少寄存器計(jì)數(shù)的32位指令集，專門針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的較小門數(shù)實(shí)現(xiàn)。除了存在用于操縱更長的字長以及與地址空間匹配的寄存器大小的附加指令外，這些變體的指令編碼都是相同的。

圖1以示意圖形式顯示了核心規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展如何相互作用。RISC-V基金會(huì)現(xiàn)在凍結(jié)了許多規(guī)范，以確?；谶@些規(guī)范的實(shí)施將隨著ISA的發(fā)展而保持有效。這確保了今天編寫的軟件將永遠(yuǎn)在類似的RISC-V內(nèi)核上運(yùn)行。某些擴(kuò)展名仍處于草稿模式，因此可能會(huì)發(fā)生變化。保留了一些，即等待未來發(fā)展的占位符。例如，凍結(jié)了32位和64位基本整數(shù)ISA，而128位和嵌入式變體仍處于草稿形式。

基本整數(shù)ISA（I）是構(gòu)建所有其他整數(shù)的基礎(chǔ)，并且在任何實(shí)現(xiàn)中都必須存在。除基本整數(shù)ISA之外，所有標(biāo)準(zhǔn)RISC-V實(shí)現(xiàn)都必須至少包括Privileged ISA的計(jì)算機(jī)級別部分；否則，不執(zhí)行任何操作。主管級別（S）和管理程序部分是標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。但是，特權(quán)ISA的定義方式是，開發(fā)人員可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)特權(quán)代碼執(zhí)行的自定義形式，而又不影響基本整數(shù)ISA。

圖1RISC-V ISA構(gòu)成了指令的模塊化集合，這些指令可以在CPU設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)而不會(huì)互相干擾。

通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展增強(qiáng)基本功能

基本整數(shù)（I）和計(jì)算機(jī)級特權(quán)ISA提供了基本的通用CPU所需的所有功能。但是，開發(fā)人員可以通過向ISA添加擴(kuò)展來增強(qiáng)此基本功能。自定義擴(kuò)展總是可能的，但是RISC-V Foundation中的技術(shù)任務(wù)組管理著標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，確定它們對設(shè)計(jì)界具有廣泛的吸引力，并且其說明與其他標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展不沖突。因此，開發(fā)人員可以在設(shè)計(jì)中自由地包含他們所需的任何標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，而無需擔(dān)心指令編碼中的沖突。這些標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展包括：

• M –將兩個(gè)整數(shù)寄存器中保存的值相乘和除的指令（凍結(jié)）
• A –原子讀寫修改內(nèi)存以支持同步（凍結(jié)）的指令
• F，D和Q –符合IEEE 754-2008算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的（F）單精度，（D）雙精度和（Q）四精度浮點(diǎn)計(jì)算的說明。每個(gè)精度的擴(kuò)展名取決于存在的較低精度的擴(kuò)展名。（凍結(jié)）
• G –包含基本整數(shù)規(guī)范（I）以及M，A，F(xiàn)和D標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展名的實(shí)現(xiàn)如此流行，以至于基金會(huì)將集合定義為G，并將G配置設(shè)置為編譯器的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。開發(fā)中的工具鏈。（凍結(jié)）
• V –向浮點(diǎn)擴(kuò)展添加矢量指令的指令（草稿）
• L –十進(jìn)制浮點(diǎn)計(jì)算說明（保留）
• B –比特級操作說明（保留）
• N –處理用戶級中斷的指令（草稿）
• P –支持打包的單指令，多數(shù)據(jù)指令的擴(kuò)展（保留）
• T –支持事務(wù)性內(nèi)存操作的指令（保留）
• J –支持使用動(dòng)態(tài)翻譯語言的擴(kuò)展（保留）
• C –支持壓縮指令執(zhí)行。基本整數(shù)（I）規(guī)范要求指令字長32位，并在內(nèi)存中的32位邊界上對齊。實(shí)施C標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展提供了常見操作的16位編碼，并允許CPU設(shè)計(jì)在自由混合的32位和16位邊界上進(jìn)行對齊，從而將代碼大小減少了25％到30％。可以用任何基本整數(shù)位寬度以及任何其他標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。（凍結(jié)）
• S –特權(quán)ISA的管理員級別擴(kuò)展（草稿）

像用戶級ISA一樣，特權(quán)ISA使設(shè)計(jì)人員能夠選擇要包含的復(fù)雜程度。該規(guī)范定義了兩個(gè)ISA集：機(jī)器級別和管理員級別，以及保留占位符以獲取支持虛擬機(jī)管理程序功能的指令。反過來，這些指令集允許開發(fā)人員最多支持三個(gè)特權(quán)級別，代碼可以在這些特權(quán)級別上運(yùn)行。單一特權(quán)級別（機(jī)器級別）意味著所有正在運(yùn)行的代碼都具有對系統(tǒng)資源的完全訪問權(quán)限，例如在簡單的嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的單個(gè)應(yīng)用程序。具有兩個(gè)特權(quán)級別，同時(shí)需要計(jì)算機(jī)和主管ISA指令，它們支持將某些系統(tǒng)資源與應(yīng)用程序代碼隔離，以增強(qiáng)軟件安全性并允許操作系統(tǒng)訪問多個(gè)并發(fā)應(yīng)用程序。

圖2這兩個(gè)特權(quán)ISA級別可以一起支持許多軟件配置，包括一個(gè)簡單的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境（AEE），一個(gè)具有管理者執(zhí)行環(huán)境（SEE）的操作系統(tǒng)上的多個(gè)應(yīng)用程序以及一個(gè)具有管理程序的操作系統(tǒng)。（來源：RISC-V基金會(huì)）

通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和特權(quán)級別的所有可能組合，簡單的名稱“ RISC-V”不足以表示ISA的實(shí)際硬件實(shí)現(xiàn)。為了闡明程序員在采用給定的硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)可以訪問哪些指令，基金會(huì)設(shè)計(jì)了一種核心命名術(shù)語。名稱包括三個(gè)部分：使用的基本規(guī)范（RV32I，RV64I等），添加的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展名（M，F(xiàn)，A等）以及每個(gè)元素的版本號（1.2版等為1p2）。 ，如圖3所示。在許多情況下，為簡單起見，可以省略版本號（RV32IC，RV64G等）。

圖3RISC-V實(shí)現(xiàn)的名稱編碼了對其支持的指令集的完整描述。

命名約定也允許標(biāo)識自定義的擴(kuò)展名。基本整數(shù)ISA的擴(kuò)展使用開發(fā)人員選擇的名稱，并具有Xname形式，并帶有適當(dāng)?shù)陌姹咎?。如果擴(kuò)展名涉及特權(quán)ISA的管理員級別，則該表單為SX名稱。

超越標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展

即使具有模塊化標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展提供的設(shè)計(jì)靈活性，RISC-V標(biāo)準(zhǔn)也無法提供開發(fā)人員可能期望的許多指令增強(qiáng)功能。例如，考慮一個(gè)經(jīng)常需要對兩個(gè)16位整數(shù)進(jìn)行四舍五入取平均值（（r1 + r2）/ 2）的應(yīng)用，例如兩次ADC測量。使用基本整數(shù)ISA，所需的平均計(jì)算將需要執(zhí)行兩條指令：整數(shù)加法和算術(shù)右移（有效執(zhí)行整數(shù)除以2，向下舍入）。因此，在一個(gè)步驟中執(zhí)行兩項(xiàng)操作的自定義指令可以加快應(yīng)用程序的軟件執(zhí)行速度。如果您采用ISA的標(biāo)準(zhǔn)指令格式，則RISC-V ISA可以輕松地添加此類指令。

RV32I基本指令集遵循四種基本格式，如圖4所示。R型指令從兩個(gè)源寄存器（rs1和rs2）獲取值，并以某種方式（加，異或等）將它們組合以形成一個(gè)值，該值將存儲在目標(biāo)寄存器（rd）的第三個(gè)寄存器中。I型指令將源值（rs1）和在指令本身中編碼的12位值（imm）合并并存儲在目標(biāo)寄存器（rd）。加載指令使用I型格式，結(jié)合源值和立即值來確定存儲器地址，并將其內(nèi)容傳輸?shù)侥繕?biāo)寄存器。S型指令從一個(gè)源寄存器獲取值，以將第二個(gè)寄存器的內(nèi)容和立即值（組合在一起時(shí)）所指向的地址存儲在內(nèi)存中。S型指令的B型變體具有相同的格式，但是使用這兩個(gè)值來計(jì)算條件分支指令的地址。U型指令允許使用大于12位的立即數(shù)，而J型變量則使用立即數(shù)執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)。

圖4RISC-V指令的四種基本格式。（來源：RISC-V基金會(huì)）

這些指令格式的定義提供了一些有關(guān)開發(fā)人員如何輕松地將自定義指令添加到組合中的線索。所有指令的低位都包含一個(gè)7位操作碼，除U型格式外，所有指令的第12位至第14位都具有功能代碼（funct3）。R型指令具有第二個(gè)功能代碼（funct7）。）在第25到31位。當(dāng)涉及目標(biāo)寄存器地址時(shí)，它總是在第7到11位，第一個(gè)源寄存器的地址總是在第15到19位，另一個(gè)源寄存器在第20到24位。這種一致性代碼和寄存器指針的位置意味著如果您可以將新指令映射到這些基本格式之一，并且您具有符合要求的RISC-V設(shè)計(jì)，則用于實(shí)現(xiàn)該指令的硬件設(shè)計(jì)幾乎已經(jīng)完成。大部分新操作（例如指令解碼和寄存器數(shù)據(jù)訪問）都在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，您可以使用它。

為了說明平均示例，請考慮圖5中的流程圖?，F(xiàn)有的用于整數(shù)的RV32I ADD和SUB指令遵循R型格式，并且具有完全相同的操作碼（0110011）和funct3（000）代碼值，僅在它們的funct7代碼上有所不同（0000000與0100000）。沒有其他RV32I指令使用該操作碼和funct3組合，從而留下了120多個(gè)可能的funct7可用于對新指令進(jìn)行編碼的值，而無需遵循任何標(biāo)準(zhǔn)指令。這些標(biāo)準(zhǔn)指令的可能實(shí)現(xiàn)方式是顯示來自兩個(gè)源寄存器的值進(jìn)入算術(shù)單元，該算術(shù)單元（取決于位指令30）將這些值相加或相減，然后將結(jié)果傳遞給目標(biāo)寄存器。

圖5對標(biāo)準(zhǔn)RISV-V實(shí)現(xiàn)的修改，以添加兩個(gè)新指令

添加新的平均指令只需要對該硬件進(jìn)行最少的更改。例如，可以通過從指令解碼邏輯中提取指令位25并使用它來命令在算術(shù)單元之后插入的一組新的多路復(fù)用器來完成此操作。該位使多路復(fù)用器將原本標(biāo)準(zhǔn)的ADD或SUB結(jié)果右移一位，然后再將其傳送到目標(biāo)寄存器。現(xiàn)在，該設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)ADD和SUB以及兩個(gè)新指令：平均值[[rs1+rs2/ 2]和平均差[[rs1-rs2/ 2] / 2]，僅需少量額外的門。這種自定義擴(kuò)展可圍繞現(xiàn)有的指令編碼工作，稱為“棕場擴(kuò)展”。

指令擴(kuò)展的機(jī)會(huì)比比皆是

RISC-V為棕地?cái)U(kuò)展提供了許多機(jī)會(huì)。RV32I基本ISA通過利用3位funct3和7位funct7值定義主要指令類型的次要變化，僅使用可用的128個(gè)（7位）主要操作碼中的11個(gè)來定義其47條不同的指令。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和更長的基整數(shù)變體（RV64I，RV128I）僅需要幾個(gè)附加的主要操作碼。這為編碼新的Brownfield擴(kuò)展指令留出了足夠的空間。只有壓縮指令（C）標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展才添加了大量獨(dú)特的指令代碼，以說明其指令長度的許多變體。但是，這也已經(jīng)以最小化操作碼需求的方式實(shí)現(xiàn)。

下圖（圖6）顯示了在具有G標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展名的32位，64位和128位寬基本整數(shù)實(shí)現(xiàn)中可用的未定義主要操作碼，它們被認(rèn)為是開發(fā)人員可用來構(gòu)建的最常見配置?；饡?huì)將避免在將來的任何標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展中使用其中一些，以幫助確保開發(fā)人員其設(shè)計(jì)將與此類擴(kuò)展兼容。其他保留給將來的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展使用以及預(yù)期的128位基本整數(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用，但對于不關(guān)心避免將來可能出現(xiàn)的不兼容問題的開發(fā)人員來說，它們是可用的。

圖6可用的RISC-V主要操作碼圖

對于希望在不考慮所有標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的情況下為基本整數(shù)（I）規(guī)范創(chuàng)建自定義擴(kuò)展的開發(fā)人員來說，機(jī)會(huì)甚至更多。例如，RISC-V ISA定義了其所有基本整數(shù)（I）和大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令，其編碼的兩個(gè)最低有效位（LSB）設(shè)置為x11。僅壓縮（C）標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展名定義了將這些位設(shè)置為x00，x01或x10的指令。然后，不需要C標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的開發(fā)人員可以隨意使用其所需的LSB位模式來定義指令。這為它們提供了三個(gè)30位指令編碼空間，可在其中進(jìn)行播放而不會(huì)損害基本整數(shù)ISA或任何其他標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。

RISC-V計(jì)劃的主要目標(biāo)是允許創(chuàng)新和定制，而不會(huì)造成正在成長的生態(tài)系統(tǒng)的過度分散。在擴(kuò)展基本體系結(jié)構(gòu)時(shí)遵守ISA準(zhǔn)則和要求的開發(fā)人員可以幫助確保達(dá)到目標(biāo)。

Rich Quinnell是AspenCore網(wǎng)絡(luò)的工程師，作家和全球執(zhí)行編輯。

編輯：hfy