“大道至簡——RISC-V架構(gòu)之魂”——分成上中下三篇，本文是上篇。關(guān)注文末公眾號后可查詢上中下三篇的內(nèi)容。

　　注意：本文中將會多次出現(xiàn)“RISC處理器”或“RISC架構(gòu)”以及“RISC-V處理器”或“RISC-V架構(gòu)”等關(guān)鍵詞。請初學(xué)者務(wù)必注意加以區(qū)別：

　　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）。

　　1 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(fù)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。

　　這里寫圖片描述

　　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。基本的RISC-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。

　　2 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

　　這里寫圖片描述

　　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。