為什么要有RISC-V，RISC-V指令集的優(yōu)勢(shì)

1.RISC-V概述及歷史

RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校。在 2010 年夏季，Krs te Asanovic 教授帶領(lǐng)他的兩個(gè)學(xué)生 Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 啟動(dòng)了一個(gè)3個(gè)月的項(xiàng)目，目標(biāo)是針對(duì) x86 和ARM 指令集架構(gòu)復(fù)雜和需要IP 授權(quán)的問題，開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)化和開放的指令集架構(gòu)。RISC-V基金會(huì)創(chuàng)建于2015 年，是一家非營(yíng)利組織?；饡?huì)董事會(huì)最早由 Bluespec、Google、Microsemi、NVIDIA、NXP、UC Berkeley、Western Digital 七家單位組成，目前的主席是 Krste Asanovi 教授。

成員單位現(xiàn)在已經(jīng)比較多了：

基金會(huì)為核心芯片架構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)和建立生態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)公開免費(fèi)下載?；饡?huì)旗下有超過 1 000 家成員，包括高通、NXP、阿里巴巴和華為等。RISC-V 基金會(huì)成員可以使用 RISC-V 商標(biāo)。RISC-V 指令集架構(gòu)采用開源BSD 授權(quán)，任何企業(yè)、高校和個(gè)人都可以遵循RISC-V 架構(gòu)指南設(shè)計(jì)自己的 CPU.秉承開放、中立的宗旨，RISC-V 基金會(huì)總部從美國(guó)遷往瑞士，并于 2020年3月完成在瑞士的注冊(cè)，更名為 RISC-V 國(guó)際基金會(huì)（RISC-V International Association）。近日，基金會(huì) CEO Calista Redmond 撰文 RISC-V Catalyst for ChangRISC-V，文章指出，RISC-V 標(biāo)準(zhǔn)是免費(fèi)和開放的，沒有任何一個(gè)實(shí)體可以控制RISC-V 技術(shù)。企業(yè)、學(xué)術(shù)界和機(jī)構(gòu)都可以自由地在 RISC-V 指令集架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，共同推動(dòng)計(jì)算前沿技術(shù)的迅速發(fā)展。

自RISC-V 架構(gòu)誕生以來，市場(chǎng)上已有數(shù)十個(gè)版本的 RISC-V 內(nèi)核和SoC芯片它們中的一部分是開源免費(fèi)的，而商業(yè)公司開發(fā)的 RISC-V 處理器內(nèi)核和平臺(tái)是需要商業(yè)授權(quán)的。某些商業(yè)公司開發(fā)用于內(nèi)部使用的 RISC-V 內(nèi)核，但也可以開源運(yùn)作。西部數(shù)據(jù)的 SweRV架構(gòu)（RV32IMC）是 RISC-V內(nèi)核處理器的典型代表，它是一個(gè)32 bit 順序執(zhí)行指令架構(gòu)，具有雙向超標(biāo)量設(shè)計(jì)和9 級(jí)流水線，采用 28 nm 工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行頻率高達(dá) 1.8 GHz，可提供 4.9 CoreMark/MHz 的性能，略高于ARM的 Cortex A15，已經(jīng)在西部數(shù)據(jù)的 SSD和 HDD 控制器上使用，SweRV項(xiàng)目是一個(gè)開源項(xiàng)目（Chip Alliance）典型的開源 RISC-V 內(nèi)核有 Rocket Core，它是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一個(gè)經(jīng)典的 RV64 設(shè)計(jì)。伯克利分校還開發(fā)了一個(gè) BOOM Core，它與 Rocket Core不同的是面向更高的性能。蘇黎世理工大學(xué)（ETH Zurich）開發(fā)的 Zero-riscy，是經(jīng)典的RV32 設(shè)計(jì)。蘇黎世理工大學(xué)還開發(fā)了另外一款 RISC-V R15CY Core，可配置成RV32E，面向的是超低功耗、超小芯片面積的應(yīng)用場(chǎng)景。由 Clifford Wolf 開發(fā)的RISC-V Core-Pico RV32，其內(nèi)核重點(diǎn)在于追求面積和 CPU頻率的優(yōu)化。

開源的 RISC-V 內(nèi)核非常適用于研究和教學(xué)，但用于商業(yè)芯片設(shè)計(jì)還有許多工作要做。SiFive（美國(guó)賽防科技）由 Yunsup Lee 創(chuàng)立，他也是 RISC-V 的創(chuàng)始人之一。2017 年 SiFive公司發(fā)布首個(gè) RISC-V 內(nèi)核SOC平臺(tái)家族，以及相關(guān)支持軟件和開發(fā)板。在這些芯片中，包括采用 28 nm 制造技術(shù)，支持 Linux 操作系統(tǒng)的64位多核CPUU500，以及采用 180 nm 制造技術(shù)的多外設(shè)低成本IOT 處理器內(nèi)核 E300。

國(guó)產(chǎn)處理器芯片起步較晚，從2013年至今，集成電路每年的進(jìn)口額均超過了 2000 億美元。RISC-V和AI（人工智能）芯片是我國(guó)最有希望突破的領(lǐng)域之一。RISC-V使用的領(lǐng)域還是對(duì)于生態(tài)依賴比較小的嵌入式系統(tǒng)或者新興的IoT（物聯(lián)網(wǎng)）、邊緣計(jì)算、人工智能領(lǐng)域，但RISC-V得到了產(chǎn)業(yè)界和社區(qū)的廣泛支持，同時(shí)，現(xiàn)在很多企業(yè)開始對(duì) RISC-V 重視，所以說RISC-V 應(yīng)用前景會(huì)非常樂觀。

2.RISC-V指令集特點(diǎn)

CPU 支持的所有指令和指令的字節(jié)級(jí)編碼就是這個(gè) CPU 的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA），指令集在計(jì)算機(jī)軟件和硬件之間搭起了一座橋梁。不同的 CPU 家族，例如 86、PowerPC 和 ARM，都有不同的 ISA。RISC-VISA 開源，更確切地講是它的指令集規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)開源。

RISC-V指令集是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算原理建立的開放指令集架構(gòu)（ISA），RISC-V是在指令集不斷發(fā)展和成熟的基礎(chǔ)上建立的全新指令。RISC-V ISA可以免費(fèi)使用，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷售 RISC-V 芯片和軟件。

RISC-V（讀音“risk-five”）是一個(gè)新的指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA），它最初用于支持計(jì)算機(jī) 體系結(jié)構(gòu)研究和教學(xué)，但現(xiàn)在我們希望它也成為一個(gè)對(duì)于工業(yè)實(shí)現(xiàn)來說標(biāo)準(zhǔn)、免費(fèi)、開放的體系結(jié)構(gòu)。RISC-V官方定義 RISC-V 的目的包括：

一個(gè)完全開放的 ISA，能夠自由地提供給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用。

一個(gè)真正的 ISA，能夠適合直接在硬件上實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是適用于模擬或者二進(jìn)制翻譯。

一個(gè)避免對(duì)某一種微體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格（例如微編碼、按序、去耦合、亂序等）或者實(shí) 現(xiàn)技術(shù)（例如全定制、ASIC、FPGA）“過度體系結(jié)構(gòu)化（over-architecting）”的 ISA，但是也能夠非常高效地利用任何一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

包含一個(gè)小的基本整數(shù) ISA（可以作為一個(gè)定制的加速器的基礎(chǔ)或者作為教學(xué)用途）和多個(gè)可選的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的 ISA，可以支持通用的軟件開發(fā)。

支持修訂的 2008 IEEE-754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

ISA 支持豐富的用戶級(jí) ISA 擴(kuò)展和各種特殊的變種。

對(duì)應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件實(shí)現(xiàn)的32 位、64 位地址空間變種。

ISA 支持高度并行的多核、眾核實(shí)現(xiàn)，包括異構(gòu)多處理器等。

可選的變長(zhǎng)指令，以支持?jǐn)U展可用的指令編碼空間、支持一個(gè)可選的密集指令編碼，以提高性能、靜態(tài)代碼大小和能耗效率。

一個(gè)可完全虛擬化的 ISA，以簡(jiǎn)化虛擬機(jī)監(jiān)督管理器（Hypervisor）的開發(fā)。

ISA 支持新的管理員級(jí)（supervisor-level）和虛擬機(jī)監(jiān)督管理級(jí)（hypervisor-level） ISA 設(shè)計(jì)。

3.關(guān)于RISC-V的V

RISC-V 這個(gè)名字，代表了 UC Berkeley 大學(xué)設(shè)計(jì)的第五代主要的 RISC ISA（前四個(gè)是 RISC-I［18］、RISC-II［11］、SOAR［27］和 SPUR［14］）。羅馬數(shù)字“V”也暗示了“變種（Variations）”和“向量（Vectors）”，以支持各種體系結(jié)構(gòu)研究，包括各種數(shù)據(jù)并行加速器，也是這個(gè) ISA 設(shè)計(jì)的明確目標(biāo)。

4、發(fā)明者為什么要開發(fā)一個(gè)新的ISA

關(guān)于為什么要有RISC-V，發(fā)明者這么說：

硬件上實(shí)現(xiàn)一些研究思想特別感興趣（自從這個(gè)規(guī)范的第一個(gè)版本發(fā)布之后，我們已經(jīng)完成了 11 塊不同的 RISC-V 硅片的制造），在課堂上提供給學(xué)生真實(shí) 的實(shí)現(xiàn)（在 Berkeley，RISC-V 處理器的 RTL 設(shè)計(jì)代碼已經(jīng)用于多個(gè)本科生、研究生的課程）。在我們當(dāng)前的研究中，由于傳統(tǒng)晶體管不斷變小帶來的能耗約束，我們對(duì)特殊、異構(gòu)的加速器特別感興趣。我們需要一個(gè)高度靈活、高度可擴(kuò)展的基本 ISA，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建我們自己的研究。

我們總被問及這樣一個(gè)問題“為什么要開發(fā)一個(gè)新的 ISA？”。使用一個(gè)已有的商業(yè)化的 ISA，其顯而易見最大的優(yōu)勢(shì)在于其已經(jīng)具備了豐富和廣泛支持。

的軟件生態(tài)系統(tǒng)，包括開發(fā)工具和可移植的應(yīng)用程序，而在研究和教學(xué)中，這些都是可以利用的。其他的好處包括擁有大量的文檔和教程示例。然而，我們的經(jīng)驗(yàn)證明，在科研和教學(xué)中使用商業(yè)的指令集，在實(shí)際中獲得的好處很小，而且掩蓋不了它的缺點(diǎn)：

商業(yè) ISA 都是私有的。除了 SPARC V8（它是一個(gè)開放的IEEE 標(biāo)準(zhǔn)［1］），絕大多數(shù) ISA 的擁有者非常小心地保護(hù)他們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且并不歡迎自由實(shí)現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于僅僅使用軟件模擬器來進(jìn)行學(xué)術(shù)研究和教學(xué)來說，這并不是一個(gè)問題，但是對(duì)于那些希望分享真實(shí)硬件實(shí)現(xiàn) 的科研小組來說，這就是一個(gè)大問題。對(duì)于那些被強(qiáng)迫信任僅有的幾個(gè)商業(yè) ISA 實(shí)現(xiàn)，而不允許創(chuàng)建自己的全新實(shí)現(xiàn)（clean room implementation）的企業(yè)來說，這也是一個(gè)大問題。我們并不能確保所有的 RISC-V 實(shí)現(xiàn)沒有侵犯第三方專利，但是我們確保我們絕不會(huì) 起訴一個(gè) RISC-V 的實(shí)現(xiàn)者。

（1）商業(yè) ISA 僅僅在某個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域比較流行。當(dāng)書寫此文檔時(shí)，最顯而易見的例子就是 ARM 體系結(jié)構(gòu)在服務(wù)器領(lǐng)域并沒有得到很好的支持，而 Intel x86 體系結(jié)構(gòu)（或者幾乎任何一種其他的體系結(jié)構(gòu)）在移動(dòng)領(lǐng) 域并沒有得到很好的支持，雖然 Intel 和 ARM 正在試圖進(jìn)入對(duì)方的市場(chǎng)領(lǐng)域。另外一個(gè)例子是 ARC 和 Tensilica，它們提供了可擴(kuò)展的內(nèi)核，但是只關(guān)注嵌入式市場(chǎng)。這種市場(chǎng)的劃分，使得支持某種特定商業(yè) ISA 獲得的好處大大削弱，因?yàn)槭聦?shí)上軟件生態(tài)系統(tǒng)只存在于某個(gè)領(lǐng) 域，到了別的領(lǐng)域，必須重新構(gòu)建。

（2）商業(yè) ISA 此起彼伏。以前基于商業(yè) ISA 構(gòu)建的研究基礎(chǔ)設(shè)施，并不流行（SPARC、MIPS），甚至不再生產(chǎn)（Alpha）。這對(duì)于一個(gè)活躍的軟件生態(tài)系統(tǒng)來說是一個(gè)大損失，一些圍繞 ISA 和支持工具的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，也使得感興趣的第三方難以繼續(xù)支持這個(gè) ISA。一個(gè)開放的 ISA 也可能失去流行性，但是任何感興趣的人，都可以繼續(xù)使用它并研發(fā) 相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)。

（3）流行的商業(yè) ISA 是復(fù)雜的。占統(tǒng)治地位的 ISA（x86 和 ARM）若要支持常用軟件棧和操作系統(tǒng)，那么其硬件實(shí)現(xiàn)都非常復(fù)雜。更糟糕的是，幾乎所有的復(fù)雜性都來自于糟糕的、或者至少是過時(shí)的ISA設(shè)計(jì)考慮，而不是那些真正提高效率的特性。

（4）僅靠商業(yè) ISA 并不足以運(yùn)行應(yīng)用程序。即使我們努力實(shí)現(xiàn)了一個(gè)商業(yè) ISA，對(duì)于運(yùn)行一個(gè)現(xiàn)有的應(yīng)用程序來說，仍然是不夠的。絕大多數(shù) 應(yīng)用程序需要一個(gè)完整的 ABI（application binary interface）才能運(yùn)行，而不僅僅是用戶級(jí) ISA。絕大多數(shù) ABI 依賴于庫（libraries），而庫又依賴于操作系統(tǒng)支持。為了運(yùn)行一個(gè)已有的操作系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)管理員級(jí) ISA、OS 需要的設(shè)備接口。這些通常并沒有很好的規(guī)范，而在實(shí) 現(xiàn)上比用戶級(jí) ISA 具有更大的復(fù)雜性。

（5）流行的商業(yè) ISA 不是為可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)的。占統(tǒng)治地位的商業(yè) ISA 并沒有為可擴(kuò)展性而進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，結(jié)果就是，隨著后續(xù)指令集不斷地增長(zhǎng)，指令編碼的復(fù)雜度大幅度增加。而類似 Tensilica（被 Cadence 公司收購(gòu)）、ARC（被 Synopsys 公司收購(gòu)）這樣的公司，它們圍繞可擴(kuò)展性構(gòu)建了 ISA 和工具鏈（toolchain），但是它們瞄準(zhǔn)的是嵌入式應(yīng)用而不是通用計(jì)算系統(tǒng)。

一個(gè)修改過的商業(yè) ISA 實(shí)際上是一個(gè)新的 ISA。我們的一個(gè)主要目標(biāo) 是支持體系結(jié)構(gòu)研究，包括主要的 ISA 擴(kuò)展。即使是很小的擴(kuò)展，也減弱了使用標(biāo)準(zhǔn) ISA 而帶來的好處，因?yàn)楸仨毿薷木幾g器，而應(yīng)用程序必須從源代碼進(jìn)行重新編譯，以利用這些擴(kuò)展。引入了新的體系結(jié) 構(gòu)狀態(tài)的大一些的擴(kuò)展，也需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行修改。最終使得一個(gè) 修改的商業(yè) ISA 變成一個(gè)新的 ISA，但是不得不肩負(fù)著所有基本 ISA 遺留下來的包袱。我們堅(jiān)信 ISA 是整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)中最重要的接口，沒有理由把這么重要的接口變成私有的。占統(tǒng)治地位的商業(yè) ISA 都是基于超過 30 年歷史的指令集。軟件開發(fā)者應(yīng)當(dāng)能夠定位到一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)的硬件目標(biāo)機(jī)，商業(yè)處理器設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng) 在實(shí)現(xiàn)質(zhì)量上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。我們并不是第一個(gè)為了適合硬件實(shí)現(xiàn)而提出開放 ISA 設(shè)計(jì)的。我們也考慮了其他現(xiàn)有的開放 ISA 設(shè)計(jì)，其中 OpenRISC 體系結(jié)構(gòu)［17］與我們的目標(biāo)最為接近。

我們由于幾個(gè)技術(shù)原因，并不采用 OpenRISC ISA：

1、OpenRISC 有條件碼（condition code）和分支延遲槽（branch delay slot），這對(duì)于更高性能的實(shí)現(xiàn)來說，變得更為復(fù)雜。

2、OpenRISC 使用了 32 位定長(zhǎng)指令編碼和 16 位立即數(shù)，阻礙了更密集的指令編碼，并對(duì)后續(xù) ISA 擴(kuò)展限制了空間。

3、OpenRISC 并不支持 2008 修訂的 IEEE-754 浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

在我們開始的時(shí)候，64 位 OpenRISC 設(shè)計(jì)并沒有完成。從零開始，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)符合我們所有需求的 ISA，當(dāng)然，這花了比我們?cè)陂_始時(shí)預(yù)期多得多的努力。現(xiàn)在我們?cè)跇?gòu)建 RISC-V ISA 基礎(chǔ)設(shè)施上投入了大量的精力，包括文檔、編譯器工具鏈、操作系統(tǒng)移植、參考 ISA 模擬器、 FPGA 實(shí)現(xiàn)、高效的 ASIC 實(shí)現(xiàn)、體系結(jié)構(gòu)測(cè)試套件、教學(xué)材料等。自本文檔的上一個(gè)版本以來，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)此 RISC-V ISA 都有大量的吸收（uptake），我們也創(chuàng)建了非盈利的 RISC-V 基金會(huì)來保護(hù)和推進(jìn)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。RISC-V 基金會(huì)的網(wǎng)址在 http://riscv.org，包含了基金會(huì)成員最新的信息和各種各樣使用 RISC-V 的開源項(xiàng)目。

5.RISC-V指令集的優(yōu)勢(shì)

（1）完全開源。對(duì)于 RISC-V 指令集的使用，RISC-V基金會(huì)不收取高額的授權(quán)費(fèi)。開源采用寬松的BSD 協(xié)議，企業(yè)可以完全自由免費(fèi)使用，同時(shí)也允許企業(yè)添加自有指令集，而不必開放共享，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。

（2）架構(gòu)簡(jiǎn)單。RISC-V設(shè)。處理器領(lǐng)域，流的架構(gòu)為x8與ARM架構(gòu)。x86與ARM架構(gòu)的發(fā)展過程也伴隨了現(xiàn)代處理器架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，但作為商用的架構(gòu)，為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性，不得不保留許多過時(shí)的定義，導(dǎo)致其指令數(shù)目多，指令冗余嚴(yán)重，文檔數(shù)量龐大，所以要在這些架構(gòu)上開發(fā)新的操作系統(tǒng)或者直接開發(fā)應(yīng)用門檻很高。而RISC-V 架構(gòu)則完全拋棄包袱，借助計(jì)算機(jī)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)的優(yōu)勢(shì)，從輕上路。RISC-V基礎(chǔ)指令集只有40多條，加上其他的模塊化擴(kuò)展指令總共也就幾十條指令。RISC-V的規(guī)范文檔僅有145頁，而特權(quán)架構(gòu)文檔的篇幅也僅為 91頁。

（3）易于移植操作系統(tǒng)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)都做了特權(quán)級(jí)指令和用戶級(jí)指令的分離，特權(quán)指今只能由操作系統(tǒng)調(diào)用，而用戶級(jí)指令才能在用戶模式調(diào)用，保障操作系統(tǒng)的穩(wěn)定。RISC-V提供了特權(quán)級(jí)指令和用戶級(jí)指令，同時(shí)提供了詳細(xì)的 RISC-V 特權(quán)級(jí)指令規(guī)范和 RISC-V 用戶級(jí)指令規(guī)范的詳細(xì)信息，使開發(fā)者能非常方便地移植 Linux 和 UNIX 系統(tǒng)到RISC-V平臺(tái)上。

（4）模塊化設(shè)計(jì)。RISC-V 架構(gòu)不僅短小精悍，其不同的部分還能以模塊化的方式組紗在一起，從而試圖通過一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，來實(shí)現(xiàn)自己定制化設(shè)備的需要，比如針對(duì)小面積低功耗嵌入式場(chǎng)景，用戶可以選擇RV32IC 組合的指令集，僅使用Machine Mode（機(jī)器模式）;而高性能應(yīng)用操作系統(tǒng)場(chǎng)景則可以選擇RV32IMFDC 指令集，使用 Machine Mode（機(jī)器模式）與User Mode（）戶模式）兩種模式。

（5）完整的工具鏈。對(duì)于設(shè)計(jì)CPU 來說，工具鏈?zhǔn)擒浖_發(fā)人員和 CPU 交互的窗口，若沒有工具鏈，則對(duì)軟件開發(fā)人員開發(fā)軟件要求很高，甚至軟件開發(fā)者無法讓CPU 工作起來在CPU 設(shè)計(jì)中，工具鏈的開發(fā)是一個(gè)巨大的工作。如果用RISC-V來設(shè)計(jì)芯片，芯片設(shè)計(jì)公司則不用再擔(dān)心工具鏈問題，只需專注于芯片設(shè)計(jì)，RISC-V社區(qū)已經(jīng)提供了完整的工具鏈 RISC-V 基金會(huì)持續(xù)維護(hù)該工具鏈。當(dāng)前RISC-V的支持已經(jīng)合并到主要的工具中，比如編評(píng)工具鏈 GCC、仿真工具 QEMU 等。

6、RISC-V的特點(diǎn)

1）沒有立即數(shù)減法

只有立即數(shù)加法指令（addi），沒有立即數(shù)減法指令（subi），那么減法怎么辦？無論是數(shù)學(xué)上還是程序上，x-y都等價(jià)于x+（-y），也就是說可以把減法變成加法，把被減數(shù)轉(zhuǎn)化成負(fù)數(shù)然后再加上減數(shù)就實(shí)現(xiàn)了和減法一樣的功能。正是基于這個(gè)原理，RISC-V只提供立即數(shù)加法，沒有提供立即數(shù)減法，如果需要立即數(shù)減法，那么就要麻煩編譯器把這個(gè)立即數(shù)轉(zhuǎn)化成負(fù)數(shù)，然后繼續(xù)使用加法。這也是 RISC-V將立即數(shù)作為有符號(hào)數(shù)處理的原因。

2）x0 寄存器簡(jiǎn)化指令集

引入x0 寄存器后，很多特殊指令只需用普通的指令加上 x0 做操作數(shù)就能解決，指令的數(shù)量大大減少，處理器的解碼電路也大大簡(jiǎn)化。

3）32 位常量

之前使用的ARM 處理器是將立即數(shù)表示不下的常量存到常量池，然后用PC相關(guān)的LDR指令加載到寄存器。RISC-V 的常量完全是用指令拼接，不需要 Load 指令，使用 Load 指令需要額外的訪問周期。RISC-V 單條指令可以表示 12 位的有符號(hào)常量，超過 12 位需要兩條指令來合成。其中一條指令是 lui，lui 指令加載常量的高 20 位，低 12 位可以用addi指令上去，這個(gè)過程需要編譯器算出立即數(shù)到底是什么，因?yàn)?addi 指令執(zhí)行的是有符號(hào)加法，其中的 12 位立即數(shù)會(huì)先被符號(hào)擴(kuò)展成 32 位的有符號(hào)數(shù)再參與計(jì)算。ARM 的常量加載需要8個(gè)字節(jié)，一條指令加一個(gè)常量;RISC-V的常量加載也是需要8個(gè)字節(jié)，兩條指令，兩者占用的程序空間一樣。

4）只有小于和大于等于

RISC-V 的比較跳轉(zhuǎn)指令只有 blt 和 bge，即只有小于和大于等于。但大于和小于等于也是需要的，RISC-V用了一個(gè)很巧妙的辦法用兩條指令實(shí)現(xiàn)了四條指令的工作，將 blt 的兩個(gè)參與比較的操作數(shù)位置換一下就有了 bgt（大于跳轉(zhuǎn)），將bge 的兩個(gè)參與比較的操作數(shù)位置換一下就有了 ble（小于或等于跳轉(zhuǎn)）。

5）讓編譯器做更多工作

對(duì) RISC 的理解是處理器盡量少做、編譯器盡量多做，這是非常有道理的，畢竟編譯的次數(shù)遠(yuǎn)少于執(zhí)行的次數(shù)。上面幾點(diǎn)就提到不少要讓編譯器多做的工作，又例如 B-type 是比較跳轉(zhuǎn)指令的格式，J-type 是長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)或函數(shù)調(diào)用指令格式，注意它們的立即數(shù)排列次序，把填充這里的立即數(shù)交給了鏈接器的工作。這樣排放偏移地址立即數(shù)是為了簡(jiǎn)化處理器的設(shè)計(jì)，但明顯給編譯器增加了工作。

6）其他省掉的指令

很多常用的指令都被省掉了，比如nop、move、not、neg 等，但所有這些功能都還有只不過都是用其他的指令來等價(jià)實(shí)現(xiàn)，比如not 指令是用xorird，rs，-1實(shí)現(xiàn)。

7、RISC-V的x0寄存器

Linux 有兩個(gè)特殊的設(shè)備：/dev/zero 和/dev/null。從/dev/zero 可以源源不斷地讀到0，往dev/null 寫的任何內(nèi)容都被丟棄。如果要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)需要填0的文件，就從dev/zero 拷貝，如果要丟棄一些輸出，就把輸出重定向到/dev/null。RISC-V的x0寄存器就相當(dāng)于是硬件版的/dev/zero 和/dev/null的組合體。從0讀出來的總是0，往x0 寫進(jìn)去的總是被丟棄。所以 x0 提供兩種功能：一是提供常量0，在軟件編程中0可以說是最常用的常量：二是提供一個(gè)可以丟棄結(jié)果的場(chǎng)所。有了 x0 寄存器，很多本來需要單獨(dú)指令的操作只要在普通的指令前加上x0 就可以實(shí)現(xiàn)。

（1）nop 空指令，RISC-V沒有提供nop 指令，而是用addi x0，x0，0來實(shí)現(xiàn)空指令，這條addi 使用x0作為目標(biāo)存器，會(huì)丟棄結(jié)果，所以這條指令不會(huì)對(duì)程序狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，和空指令是完全等價(jià)的，這就不需要單獨(dú)的空指令了。

（2）neg 取負(fù)數(shù)指令，RISC-V用 sub rd，x0，rs 來實(shí)現(xiàn)，x0-rs 等價(jià)于0-rs，等價(jià)于-rs，有了x0，就可以用更普通的減法指令來實(shí)現(xiàn)取負(fù)數(shù)指令。

（3）j跳轉(zhuǎn)指令，RISC-V 沒有單獨(dú)的跳轉(zhuǎn)指令，只有jal跳轉(zhuǎn)鏈接指令，跳轉(zhuǎn)之前總是要把下一條指令的地址拷貝到寄存器，但是如果用 x0 作為jal 的操作寄存器，即把下-條指令的地址拷貝到 x0，那么效果就等價(jià)于j跳轉(zhuǎn)指令了，因?yàn)閷懭?x0 的任何值都會(huì)被丟棄。

（4）beqz等于零跳轉(zhuǎn)指令等一系列和0比較的跳轉(zhuǎn)指令，程序中和0比較是相當(dāng)常見的操作，RISC-V 中和0比較的指令是普通的比較跳轉(zhuǎn)指令，是用 x0 寄存器做指令的操作數(shù)。還有很多其他這樣的指令，用普通的指令加上 x0 做操作數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了那些沒有x0 寄存器的處理器需要單獨(dú)指令或者需要組合兩條指令才能實(shí)現(xiàn)的操作。

編輯：黃飛

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