RISC-V指令集简介

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1 RISC-V介绍

RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备（如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统）。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。

RISC-V包含一个非常小的基础指令集和一系列可选的扩展指令集。最基础的指令集只包含40条指令，通过扩展还支持64位和128位的运算以及变长指令，其他以完成的扩展包括了乘除运算、原子操作、浮点运算等，正在开发中的指令集还包括压缩指令、位运算、事务存储、矢量计算等。

RISC-V的作者们旨在提供数种可以在BSD许可证之下自由使用的CPU设计。该许可证允许基于RISC-V设计的芯片以及其派生产品可以像RISC-V本身一样是公开且自由发行，也可以是闭源或者是专有财产。

2 模块化ISA 和增量型ISA

关于模块化ISA和增量型ISA，通俗的理解：

• 何为模块，模块那意味着可组装，可舍弃，意味着灵活。你是轻巧灵便的，轻松简洁的。
• 何为增量，意味着只能增加，哪怕你最新款CPU不需要这个功能，那么你的CPU也需要支持这些冗余指令，有很多也属于历史包袱；只能增加，不能减少，好比一个人走路，包袱越来越重，什么用得到用不到的锅碗瓢盆，都得带上。你是大而全的，同时也是沉重的。

2.1 增量型ISA

计算机体系结构的传统发展方式是增量型ISA，这意味着新处理器不仅需要实现新的ISA 扩展，还必须实现过去的所有扩展。其目的是保持向过去的二进制兼容性，从而使数十年前的二进制程序仍可在最新处理器上正确运行。出于市场营销目的，新一代处理器的发布通常伴随着新指令的发布。这两点需求共同导致ISA 的指令数量随时间大幅增长。

比如，x86-32（我们用它表示32 位地址版本的x86），就是典型的增量型ISA。这种约定意味着的每款处理器都必须实现过去扩展的错误设计，即便它们已无意义。

2.2 模块化ISA

RISC-V属于模块化ISA，在RISC-V中，指令集被设计成模块化的形式，这意味着指令集可以根据需要进行组合和扩展。这种设计使得RISC-V具有很高的灵活性和可定制性，可以根据不同的应用场景选择合适的指令集，从而优化性能和功耗。

RISC-V的模块化指令集，是其与传统的指令集架构如X86的主要区别之一。相比之下，传统的指令集架构如X86通常是一个封闭的体系结构，其指令集是固定的，无法根据需要进行定制和扩展。这种封闭性使得传统的指令集架构在某些应用场景中可能不够高效，因为它们无法充分利用特定应用的需求和特点。

RISC-V其核心是一个名为RV32I 的基础ISA，可运行完整的软件栈。RV32I 已冻结，永不改变，这为编译器开发者、操作系统开发者和汇编语言程序员提供了稳定的指令目标。

模块化特性，源于可选的标准扩展，硬件可根据应用程序的需求决定是否包含它们。这种模块化特性能设计出面积小、能耗低的RISC-V 处理器，这对于嵌入式应用至关重要。RISC-V 编译器得知当前硬件包含哪些扩展后，便可为该硬件生成最优代码。

RISC-V 提供的是一份菜单，而不是一顿应有尽有的自助餐。主厨只需烹饪食客需要的食物，而不是每次都烹饪一顿盛宴，食客也只需为他们点单的食物付费。RISC-V 无需仅为市场营销的热闹而添加新指令。RISC-V 国际架构和实现分离提升空间基金会，决定何时往菜单中添加新的选择，经过由软硬件专家组成的委员会，公开讨论后，他们才会出于必要的技术原因添加指令。即使这些新的选择出现在菜单上，它们仍是可选的，不像增量型ISA 那样成为未来所有实现的必要组成部分。

3 RISC-V定位

RISC-V是一种指令集，并不是一种处理器的实现。指令集是一种标准规范，就相当于是大家的一个约定。遵循同一个标准规范，不同厂商生产的软件和硬件就能在一起工作，就跟螺钉螺母的尺寸规范一样。

4 RISC-V优点

RISC-V的优点主要包括：

1. 开源免费
   RISC-V是一个开源的指令集架构，任何人都可以免费使用和修改。这降低了进入门槛，使技术触及更多企业和开发者。
2. 架构简单
   RISC-V的指令集相对简单，只有40多条，相比于X86和ARM的指令集，更容易掌握。这种简单性也使得RISC-V易于实现，降低了芯片设计的复杂度。
3. 模块化设计
   RISC-V的架构可以将不同的部分以模块化的方式组合在一起，使得不同场景的CPU可以分开设计，比如低功耗的、高性能的等，非常灵活。
4. 发展时间短
   由于RISC-V诞生时间相对较短，其设计理念和方法较为先进，能够总结前人的经验教训，做到相对简洁和干净。
5. 标准化
   RISC-V有庞大的社区支持和开发，在学术界和工业界都有广泛的应用，有利于其生态系统的建设和发展。

5 RISC-V缺点

1. 生态不完整
   由于发展时间短，RISC-V的生态系统尚不完整。相比于X86和ARM，RISC-V在编译器、开发工具和软件开发环境等方面还有待完善。
2. 碎片化程度高
   由于RISC-V允许厂商自行扩展指令集，导致不同厂商的RISC-V芯片在功能上存在差异，这不利于形成统一的生态。
3. 商业支持不足
   尽管有很多半导体公司开始投入RISC-V芯片的开发，但与X86和ARM相比，其商业支持仍然不足。
4. 知识产权问题
   由于RISC-V是开源的，任何厂商都可以使用和修改其指令集。这可能导致知识产权方面的纠纷。

总的来说，RISC-V作为一种新兴的指令集架构，具有很大的潜力和优势。然而，要充分发挥其优势并推动其发展，需要加强生态系统建设、商业支持和知识产权保护等方面的工作。