RISC-V(“RISC five”)的目标是成为一个通用的指令集架构(ISA – instruction set architecture):
- 它要能适应包括从最袖珍的嵌入式控制器,到最快的高性能计算机等各种规模的处理器。
- 它应该能兼容各种流行的软件栈和编程语言。
- 它应该适应所有实现技术,包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、全定制芯片,甚至未来的设备技术。
- 它应该对所有微体系结构样式都有效:例如微编码或硬连线控制; 顺序或乱序执行流水线; 单发射或超标量等等。
- 它应该支持广泛的专业化,成为定制加速器的基础,因为随着摩尔定律的消退,加速器的重要性日益提高。
- 它应该是稳定的,基础的指令集架构不应该改变。更重要的是,它不能像以前的专有指令集架构一样被弃用,例如AMD Am29000、Digital Alpha、Digital VAX、 Hewlett Packard PA-RISC、Intel i860、Intel i960、Motorola 88000、以及Zilog Z8000。
RISC-V的不同寻常不仅在于它是一个最近诞生的指令集架构(它诞生于最近十年,而大多数其他指令集都诞生于20世纪70到80年代),而且在于它是一个开源的指令集架构。与几乎所有的旧架构不同,它的未来不受任何单一公司的浮沉或一时兴起的决定的影响(这一点让许多过去的指令集架构都遭了殃)。
它属于一个开放的,非营利性质的基金会。RISC-V基金会的目标是保持RISC-V的稳定性,仅仅出于技术原因缓慢而谨慎地发展它,并力图让它之于硬件如同Linux之于操作系统一样受欢迎。
图1.1列出了RISC-V基金会最大的企业成员,作为其活力的证明:
图1.2:x86指令集自诞生以来指令数量的增长。x86在1978年诞生时有80条指令,到2015年增长了16倍,到了1338条指令,并且仍在增长。令人惊讶的是这张图的数据仍显保守。2015年在英特尔的博客上有着3600条指令的统计结果[Rodgers and Uhlig 2017],这意味着x86指令的增长速率提高到了(在1978年到2015年之内)每四天增长一条。我们是用汇编语言指令计算的,他们想必算入了机器语言指令。正如第八章所解释的那样,这个增长的很大一部分是因为x86 ISA依赖于SIMD指令来实现数据级并行。
图1.3×86-32 ASCII Adjust after Addition(aaa)指令以二进制编码十进制数(BCD)形式进行计算机运算,这种方式已经被扔进信息技术历史的垃圾堆里。x86还有三个相似的指令,分别执行减法操作(aas),乘法操作(aam),和除法操作(aad)。由于他们都是单字节指令,它们加起来占用了宝贵的操作码空间的1.6%(4/256)。
1.2 模块化与增量型 ISA
英特尔曾将其未来押在高端微处理器之上,但那时还需要很多年时间。为了对抗Zilog,英特尔开发了一款过渡产品,并给它起名为8086。它本应该是短命的,没有任何继任者,但事情并非如此。高端处理器姗姗来迟,等它最终出现时,它的性能并不如人意。因此,8086架构延续了下去——它变成32位处理器,最终演变为了64位处理器。它的名称不断变化(80186,80286,i386,i486,Pentium),但基础指令集保持不变。
计算机体系结构的传统方法是增量ISA,新处理器不仅必须实现新的ISA扩展,还必须实现过去的所有扩展。目的是为了保持向后的二进制兼容性,这样几十年前程序的二进制版本仍然可以在最新的处理器上正确运行。这一要求与来自于同时发布新指令和新处理器的营销上的诱惑共同导致了ISA的体量随时间大幅增长。例如,图1.2显示了当今主导ISA 80×86的指令数量增长过程。这个指令集架构的历史可以追溯到1978年,在它的漫长生涯中,它平均每个月增加了大约三条指令。
这个传统意味着x86-32(我们用它表示32位地址版本的x86)的每个实现必须实现过去的扩展中的错误设计,即便它们不再有意义。例如,图1.3描述了x86的ASCII Adjust after Addition(aaa)指令,该指令早已失效。
作为一个类比,假设一家餐馆只提供固定价格的餐点,最初只是一顿包含汉堡和奶昔的小餐。随着时间的推移,它会加入薯条,然后是冰淇淋圣代,然后是沙拉,馅饼,葡萄酒,素食意大利面,牛排,啤酒,无穷无尽,直到它成为一顿大餐。食客可以在那家餐厅找到他们过去吃过的东西,尽管总的来说这样做可能没什么意义。这样做的坏处是,用餐者为每次晚餐支付的宴会费用不断增加。
RISC-V的不同寻常之处,除了在于它是最近诞生的和开源的以外,还在于:和几乎所有以往的ISA不同,它是模块化的。
RISC-V 的核心是一个名为RV32I的基础ISA,运行一个完整的软件栈。RV32I是固定的,永远不会改变。这为编译器编写者,操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。模块化来源于可选的标准扩展,根据应用程序的需要,硬件可以包含或不包含这些扩展。这种模块化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特点,而这对于嵌入式应用可能至关重要。RISC-V编译器得知当前硬件包含哪些扩展后,便可以生成当前硬件条件下的最佳代码。惯例是把代表扩展的字母附加到指令集名称之后作为指示。例如,RV32IMFD将乘法(RV32M),单精度浮点(RV32F)和双精度浮点
(RV32D)的扩展添加到了基础指令集(RV32I)中。
继续用我们刚才的类比来说,RISC-V提供的是菜单,而不是一顿应有尽有的自助餐。主厨只需要烹饪顾客需要的东西(而不是每次都做出一顿盛宴),顾客只需要按他们的订单付费。RISC-V无需仅仅为了市场吸引力而添加指令。RISC-V基金会会决定什么时候在菜单里添加新的选项,而他们只会出于技术原因这样做,而且要在由软硬件专家组成的委员会进行专门的公开讨论以后才会添加。即使那些新选择出现在了菜单上,它们仍是可选的,不会像在增量ISA中那样成为未来所有实现的必要组成部分。