RISC-V的基礎(chǔ)知識

在談到 RISC-V 之前，我們先梳理幾個(gè)概念

1. 芯片

芯片 是所有半導(dǎo)體元器件的統(tǒng)稱，它是把一定數(shù)量的常用電子元件（如電阻，電容，晶體管等），通過半導(dǎo)體工藝集成在一起，具有特定功能的電路。

2. CPU

cpu 是芯片的一種，它里面包含了控制部件和運(yùn)算部件，即中央處理器。1971 年， Intel 將運(yùn)算器和控制器集成到一個(gè)芯片上，稱為4004 微處理器，這標(biāo)志著CPU 的誕生。

CPU 的工作流程分為以下5個(gè)階段：

• 取指令
• 指令譯碼
• 執(zhí)行指令
• 訪存讀取數(shù)據(jù)
• 結(jié)果寫回

指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在內(nèi)存中，數(shù)據(jù)與指令需要從統(tǒng)一的存儲空間存取，經(jīng)由共同的總線傳輸，無法并行讀取數(shù)據(jù)和指令。馮諾依曼結(jié)構(gòu)

3. 馮諾依曼結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。

程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。

數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了計(jì)算機(jī)制造的三個(gè)基本原則，即采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲執(zhí)行以及計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成：

• 運(yùn)算器
• 控制器
• 存儲器
• 輸入設(shè)備
• 輸出設(shè)備

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展所遵循的基本結(jié)構(gòu)形式始終是馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“程序存儲，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行”，需要 CPU 從存儲器取出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算

（1）單處理機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)器以運(yùn)算器為中心；?

（2）采用程序存儲思想；?

（3）指令和數(shù)據(jù)一樣可以參與運(yùn)算；?

（4） 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示；?

（5）將軟件和硬件完全分離；?

（6） 指令由操作碼和操作數(shù)組成；?

（7）指令順序執(zhí)行。

這套理論被稱為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

4. 哈佛結(jié)構(gòu)

哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)，如下圖所示。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。

程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。

哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。

哈佛結(jié)構(gòu)是指程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)， 目的是為了減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸。

哈佛結(jié)構(gòu)能基本上解決取指和取數(shù)的沖突問題。

5. 混合式結(jié)構(gòu)

• 使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存；
• 具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲模塊（程序存儲模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸；
• 兩條總線由程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分時(shí)共用。

6. CISC

從前面的內(nèi)容中，我們已經(jīng)得知 CPU 就是不斷的執(zhí)行指令，來實(shí)現(xiàn)程序的執(zhí)行，最后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。但是一顆CPU 能實(shí)現(xiàn)多少條指令，每條指令完成多少功能，卻是值得細(xì)細(xì)考量的問題。

CISC的英文全稱為“Complex InstrucTIon Set Computer”，即“復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”，從計(jì)算機(jī)誕生以來，人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設(shè)計(jì)的，并一直沿續(xù)到現(xiàn)在。目前，桌面計(jì)算機(jī)流行的x86體系結(jié)構(gòu)即使用CISC。

CISC 的優(yōu)勢在于，用少量的指令就能實(shí)現(xiàn)非常多的功能，程序自身大小也會下降，減少內(nèi)存空間占用。

缺點(diǎn)：這些復(fù)雜指令集，包含的指令數(shù)量多且功能復(fù)雜，設(shè)計(jì)復(fù)雜。

7. RISC

RISC的英文全稱為“Reduced InstrucTIon Set Computer”，即“精簡指令集計(jì)算機(jī)”，是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80年代的MIPS主機(jī)（即RISC機(jī)），RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。

這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬條指令，即MIPS）。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會更慢。

RISC 設(shè)計(jì)方案非常簡約，通常有20 多條簡化的指令集。每條指令長度固定，由專用的加載和儲存指令用于訪問內(nèi)存，減少了內(nèi)存的尋址方式，大多數(shù)運(yùn)算指令只能訪問操作寄存器。

CPU 中配有大量的寄存器，這些指令的選取都是工程中使用頻率最高的指令。由于指令長度一致，功能單一，操作依賴于寄存器，這些特性使得CPU 指令預(yù)取、分支預(yù)測、指令流水線等部件的效能大大發(fā)揮，幾乎一個(gè)時(shí)鐘周期能執(zhí)行多條指令

RISC 的代表產(chǎn)品是 ARM 和 RISC-V?，F(xiàn)在，兩者已經(jīng)沒有明顯的界限了，開始相互融合了

8. 流水線

談到指令并行，就不得不談到CPU 核心的流水線?，F(xiàn)代處理器都是流水線結(jié)構(gòu)。

流水線(Pipeline)技術(shù)是指程序在執(zhí)行時(shí)候多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通俗的講將一個(gè)時(shí)序過程，分解成若干個(gè)子過程，每個(gè)過程都能有效的與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。這種思想最初是在RISC的架構(gòu)中出現(xiàn)的，旨在提高處理器處理效率，爭取在一個(gè)時(shí)鐘周期中完成一條指令。

一般常見的5級流水線有：

• 取指：指令取指（Instruction Fetch）是指將指令從存儲器中讀取出來的過程。
• 譯碼：指令譯碼（Instruction Decode）是指將存儲器中取出的指令進(jìn)行翻譯的過程。經(jīng)過譯碼之后得到指令需要的操作數(shù)寄存器索引，可以使用此索引從通用寄存器組（Register File）中將操作數(shù)讀出。
• 執(zhí)行：指令譯碼之后所需要進(jìn)行的計(jì)算類型都已得知，并且已經(jīng)從通用寄存器組中讀取出了所需的操作數(shù)，那么接下來便進(jìn)行指令執(zhí)行（Instruction Execute）。指令執(zhí)行是指對指令進(jìn)行真正運(yùn)算的過程。譬如，如果指令是一條加法運(yùn)算指令，則對操作數(shù)進(jìn)行加法操作；如果是減法運(yùn)算指令，則進(jìn)行減法操作。在“執(zhí)行”階段的最常見部件為算術(shù)邏輯部件運(yùn)算器（Arithmetic Logical Unit，ALU），作為實(shí)施具體運(yùn)算的硬件功能單元。
• 訪存：存儲器訪問指令往往是指令集中最重要的指令類型之一，訪存（Memory Access）是指存儲器訪問指令將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，或者寫入存儲器的過程。
• 寫回：寫回（Write-Back）是指將指令執(zhí)行的結(jié)果寫回通用寄存器組的過程。如果是普通運(yùn)算指令，該結(jié)果值來自于“執(zhí)行”階段計(jì)算的結(jié)果；如果是存儲器讀指令，該結(jié)果來自于“訪存”階段從存儲器中讀取出來的數(shù)據(jù)。

無流水線：

有流水線：

它增加了四組寄存器，每一個(gè)流水線級數(shù)內(nèi)部都有各自的組合邏輯數(shù)據(jù)通路，彼此之間沒有復(fù)用資源，因此，其面積開銷是比較大的，但是由于可以讓不同的流水線級數(shù)同時(shí)做不同的事情，而達(dá)到流水的效果，提高了性能，優(yōu)化了時(shí)序，增加了吞吐率。

9. RISC-V

在了解了 RISC 和 CISC 兩種計(jì)算機(jī)指令設(shè)計(jì)架構(gòu)后。我們來看看 RISC-V。

RISC-V 的 “V”, 有兩層意思，一方面代表第5代 RISC；另一方面， “V”取Variation 之意代表變化。

9.1 RISC-V 是什么？

RISC-V 是一套開放許可證書、免費(fèi)的、由基金維護(hù)的、一個(gè)整數(shù)運(yùn)算指令集外加多個(gè)擴(kuò)展指令集的CPU 結(jié)構(gòu)規(guī)范（ISA）。

整數(shù)運(yùn)算指令集 + 擴(kuò)展指令集

任何硬件開發(fā)商或者組織都可以免費(fèi)使用這套規(guī)范,構(gòu)建CPU 芯片產(chǎn)品。

9.2 指令集命名方式

以RV 為2前綴，然后是位寬，最后代表是指令集的字母集合：

RV[###][abc......xyz]

比如：RV64IMAC, 表示64 位 RISC-V, 支持整數(shù)指令、乘除法指令、原子指令和壓縮指令。

9.3 指令集模塊

指令集模塊是一款CPU架構(gòu)的主要組成部分，是CPU 和 上層軟件交互的核心，也是cpu主要功能體現(xiàn)。

RISC-V 規(guī)范只定義了CPU 需要包含的基礎(chǔ)整型操作指令：

• 整型的儲存
• 加載
• 加減
• 邏輯
• 移位
• 分支
• 等。

其他指令為可選指令或者用戶擴(kuò)展指令。比如：

• 乘
• 除
• 取模
• 單精度浮點(diǎn)
• 雙精度浮點(diǎn)
• 壓縮
• 原子指令
• 等。

擴(kuò)展指令是芯片工程師根據(jù)需求自定義。

所以 RISC-V 采用的是模塊化的指令集，易于擴(kuò)展、組裝。它適用于不同的應(yīng)用場景，可以降低 CPU 實(shí)現(xiàn)成本。

9.4 RISC-V 寄存器

指令的操作數(shù)來源于寄存器，精簡指令架構(gòu)的CPU，都會提供大量的寄存器。

RISC-V 的規(guī)范定義了32個(gè)通用寄存器以及一個(gè)PC寄存器，這對于RV32I、RV64I、RV128I 指令集都是一樣的，只是寄存器的位寬不一樣。

如果要實(shí)現(xiàn)支持F/D擴(kuò)展指令集的CPU，則需要額外支持32個(gè)浮點(diǎn)寄存器。而如果實(shí)現(xiàn)只支持RV32E指令集的嵌入式CPU，則可以將32個(gè)通用寄存器縮減為16個(gè)通用寄存器。

ABI: 應(yīng)用程序二進(jìn)制接口，可以理解為寄存器別名，高級語言在生成匯編會用到。

9.5 RSIC-V 特權(quán)級

不同的 指令集架構(gòu)都有特權(quán)級的概念，RSIC-V 也不例外，我們來看看RISC-V 的特權(quán)級。

不同的特權(quán)級能訪問的系統(tǒng)資源不同，高特權(quán)級的能訪問低特權(quán)級的資源，反之卻不行。

RISC-V 的規(guī)范文檔定義了四個(gè)特權(quán)級別(privilege level)，特權(quán)等級由高到低排列，如下表所示。

一個(gè)RISC-V 硬件線程(hart)，相當(dāng)于一個(gè)CPU 內(nèi)獨(dú)立的可執(zhí)行核心，在任意時(shí)刻，只能運(yùn)行在某一個(gè)特權(quán)級上，這個(gè)特權(quán)級由CSR（控制和狀態(tài)寄存器）指定配置。

具體分級如下：

• 機(jī)器特權(quán)級（M）:RISC-V 中 hart 可以執(zhí)行的最高權(quán)限模式。在M 模式下運(yùn)行的 hart，對內(nèi)存、I/O 和一些必要的底層功能（啟動和系統(tǒng)配置）有著完全的控制權(quán)。它是唯一一個(gè)所有標(biāo)準(zhǔn)RISC-V CPU 都必須實(shí)現(xiàn)的權(quán)限級。
• 虛擬機(jī)監(jiān)視特權(quán)級（H）：為了支持虛擬機(jī)監(jiān)視器而定義的特權(quán)級。
• 管理員特權(quán)級（S）:主要用于支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)，如Linux、FreeBSD和 windows 等
• 用戶應(yīng)用特權(quán)級（U）：用于運(yùn)行應(yīng)用程序，同樣也適用于嵌入式系統(tǒng)。

特權(quán)級的存在，是給指令加上了權(quán)力，從而去控制指令編寫應(yīng)用程序。應(yīng)用程序只能干應(yīng)用程序該干的事情，不能越權(quán)操作。操作系統(tǒng)則擁有更高的權(quán)力，能對系統(tǒng)資源進(jìn)行管理。

10. 總結(jié)

本文梳理了 芯片、CPU、流水線，指令與架構(gòu)等基礎(chǔ)概念，引出了RISC-V 基礎(chǔ)介紹，簡單介紹了RISC-V 由來。后續(xù)針對risc-v 會根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況做相應(yīng)介紹。
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