RISC-V為何備受歡迎？

RISC-V（發(fā)音為“RISC five”）的目標(biāo)是成為一款通用的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）：

? 它要適合設(shè)計各種規(guī)模的處理器，包括從最小的嵌入式控制器到最快的高性能計算機(jī)。

? 它要兼容各種流行的軟件棧和編程語言。

? 它要適用于所有實現(xiàn)技術(shù)，包括 FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）、ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，專用集成電路）、全定制芯片，甚至未來的制造元件技術(shù)。

? 它能用于高效實現(xiàn)所有微體系結(jié)構(gòu)，包括微程序或硬連線控制，順序、解耦或亂序流水線，單發(fā)射或超標(biāo)量等。

? 它要支持高度定制化，成為定制加速器的基礎(chǔ)，以應(yīng)對摩爾定律的放緩。

? 它要穩(wěn)定，基礎(chǔ) ISA 不會改變。更重要的是，它不能像以往的公司專有 ISA 那樣消亡，包括 AMD 的 Am29000、Digital 的 Alpha 和 VAX、Hewlett Packard1 的 PARISC、Intel 的 i860 和 i960、Motorola 的 88000，以及Zilog 的 Z8000。

RISC-V 是一款與眾不同的 ISA，不僅因為它年輕（它誕生于 2010 年，而其他 ISA 大多誕生于 20 世紀(jì) 70 年代或 80年代），而且因為它開放。與過去幾乎所有的架構(gòu)不同，其未來不受任何一家公司的興衰或心血來潮的決策所影響（過去許多 ISA 因此消亡）。相反，RISC-V 屬于一個開放的、非營利性質(zhì)的基金會。RISC-V 國際基金會的目標(biāo)是維護(hù) RISC-V 的穩(wěn)定性，僅出于技術(shù)原因而緩慢謹(jǐn)慎地改進(jìn) RISC-V，并推動RISC-V 在硬件中流行起來，猶如 Linux 在操作系統(tǒng)中流行一般。圖 1.1 列出了 RISC-V 國際基金會最大的企業(yè)會員，展示了 RISC-V 的繁榮。

模塊化ISA和增量型ISA

Intel 曾將其未來押在高端微處理器上，但這還需要很多年時間。為與 Zilog 公司抗衡，Intel 開發(fā)了一款名為8086 的過渡產(chǎn)品。它本該朝生暮死，無任何后續(xù)產(chǎn)品，但事實并非如此。高端處理器姍姍來遲，等它最終面世時，性能卻不如人意。因此，8086 架構(gòu)得以延續(xù)——它演化為 32 位處理器，最終又演化為 64 位。其名稱不斷更替（80186、80286、i386、i486、Pentium），但底層指令集絲毫未減。 ——Stephen P. Morse，8086 架構(gòu)師 （Morse, 2017）

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)發(fā)展方式是增量型 ISA，這意味著新處理器不僅需要實現(xiàn)新的 ISA 擴(kuò)展，還必須實現(xiàn)過去的所有擴(kuò)展。其目的是保持向過去的二進(jìn)制兼容性，使數(shù)十年前的二進(jìn)制程序仍可在最新處理器上正確運(yùn)行。出于市場營銷的目的，新一代處理器的發(fā)布通常伴隨著新指令的發(fā)布。這兩點需求共同導(dǎo)致 ISA 的指令數(shù)量隨時間流逝而大幅增長。圖 1.2 展示了當(dāng)今主流 ISA x86 的指令數(shù)量增長過程。x86 的歷史可追溯到 1978 年，在漫長的生命周期中，它每個月大約增加 3 條指令。

x86 在 1978 年誕生時有 80 條指令，2015 年增長到 1 338 條，翻了 16 倍，并且仍在增長。但圖中數(shù)據(jù)仍偏保守。一篇 2015 年的 Intel 博客指出，統(tǒng)計結(jié)果為 3600條指令 （Rodgers et al. 2017）。按這個數(shù)據(jù)，在 1978 年到 2015 年期間，x86 指令平均每 4 天增長 1 條。我們統(tǒng)計的是匯編語言指令，他們統(tǒng)計的也許是機(jī)器語言指令。增長的主要原因是 x86 ISA 通過 SIMD 指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)級并行。

這種約定意味著 x86-32（我們用它表示 32 位地址版本的x86）的每款處理器都必須實現(xiàn)過去擴(kuò)展的錯誤設(shè)計，即便它們已無意義。例如，圖 1.3 列出了 x86 的 aaa（ASCII Adjustafter Addition）指令，該指令早已失去用處。

它以二進(jìn)制編碼十進(jìn)制數(shù)（Binary Coded Decimal，BCD）的形式進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，但它已化為信息技術(shù)的歷史塵埃。x86 還有 3 條類似的指令，分別用于減法（aas）、乘法（aam）和除法（aad）。它們都是單字節(jié)指令，因此一共占用寶貴操作碼空間的 1.6%（4/256）。

打個比方，假設(shè)一家餐館只提供價格固定的套餐，最開始只有漢堡加奶昔的小餐。隨著時間的推移，套餐中加入了薯條，然后是冰淇淋圣代，還有沙拉、餡餅、葡萄酒、素食意大利面、牛排、啤酒，無窮無盡，最后變成饕餮盛宴。食客能在這家餐館找到他們過去吃過的任何一種食物（盡管這樣沒什么意義）。然而，這對食客來說是一個壞消息，他們每次的餐費(fèi)將隨盛宴加量而不斷上漲。

除年輕和開放之外，RISC-V 還是模塊化的，這與過去幾乎所有 ISA 都不同。其核心是一個名為 RV32I 的基礎(chǔ) ISA，可運(yùn)行完整的軟件棧。RV32I 已凍結(jié)，永不改變，這為編譯器開發(fā)者、操作系統(tǒng)開發(fā)者和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的指令目標(biāo)。模塊化特性源于可選的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，硬件可根據(jù)應(yīng)用程序的需求決定是否包含它們。利用這種模塊化特性能設(shè)計出面積小、能耗低的 RISC-V 處理器，這對于嵌入式應(yīng)用至關(guān)重要。RISC-V 編譯器得知當(dāng)前硬件包含哪些擴(kuò)展后，便可為該硬件生成最優(yōu)代碼。一般約定將擴(kuò)展對應(yīng)的字母加到指令集名稱之后，以指示包含哪些擴(kuò)展。例如，RV32IMFD 在必選基礎(chǔ)指令集（RV32I）上添加了乘法（RV32M）、單精度浮點（RV32F）和雙精度浮點（RV32D）擴(kuò)展。如果軟件使用了一條未實現(xiàn)的可選 RISC-V 擴(kuò)展指令，硬件將發(fā)生自陷，并在軟件層執(zhí)行該指令的功能。此特性屬于標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分。

繼續(xù)用我們剛才的比方，RISC-V 提供的是一份菜單，而不是一頓應(yīng)有盡有的自助餐。主廚只需烹飪食客需要的食物，而不是每次都烹飪一頓大餐，食客也只需為他們點單的食物付費(fèi)。RISC-V 無須僅為市場營銷的熱鬧而添加新指令。RISC-V國際基金會決定何時往菜單中添加新的選擇，經(jīng)過由軟硬件專家組成的委員會公開討論后，他們才會出于必要的技術(shù)原因添加指令。即使這些新的選擇出現(xiàn)在菜單上，它們?nèi)允强蛇x的，不像增量型 ISA 那樣成為未來所有實現(xiàn)的必要組成部分。

審核編輯：黃飛