開(kāi)始了解RISC-V的好

自RISC和CISC戰(zhàn)爭(zhēng)在1990年代后期爆發(fā)以來(lái)，人們就宣稱RISC和CISC不再重要。許多人會(huì)指出指令集是無(wú)關(guān)緊要的。

但是指令集其實(shí)很重要，因?yàn)樗麄兿拗屏丝梢暂p松添加到微處理器的優(yōu)化類型。作者最近一直在學(xué)習(xí)有關(guān)RISC-V指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）的更多信息，以下是作者對(duì)RISC-V ISA最印象深刻的一些方面：1.這是一個(gè)RISC指令集，它很小且易于學(xué)習(xí)（基礎(chǔ)為47個(gè)）。對(duì)于任何對(duì)學(xué)習(xí)微處理器感興趣的人都非常友好。

2.大學(xué)中用于數(shù)字設(shè)計(jì)教學(xué)的主導(dǎo)架構(gòu)。

3.它經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可讓CPU制造商使用RISC-V ISA創(chuàng)建高性能微處理器。

4.無(wú)需授權(quán)費(fèi)，并且被設(shè)計(jì)為允許簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn)，那么專業(yè)的業(yè)余愛(ài)好者原則上就可以在合理的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自己的RISC-V CPU設(shè)計(jì)。

5.易于修改和使用的開(kāi)源設(shè)計(jì)。

1

RISC的復(fù)仇

正如我開(kāi)始了解RISC-V的好，我認(rèn)識(shí)到，RISC-V其實(shí)是一個(gè)根本性的轉(zhuǎn)，因?yàn)樗屛覀兓氐搅四莻€(gè)好多人認(rèn)為已經(jīng)過(guò)去的計(jì)算時(shí)代。在設(shè)計(jì)方面，RISC-V就好像回到了上世紀(jì)八九十年代的經(jīng)典RISC 時(shí)代。。

在隨后的幾年中，許多人指出RISC和CISC的區(qū)別不再重要，因?yàn)橄?a target="_blank">ARM這樣的RISC CPU添加了很多指令，許多指令相當(dāng)復(fù)雜，以至于今天它比純RISC CPU更像是一種混合。對(duì)于其他RISC CPU（例如PowerPC）也有類似的看法。

相比之下，RISC-V則是RISC CPU中的硬核。實(shí)際上，如果您閱讀有關(guān)RISC-V的討論，您會(huì)發(fā)現(xiàn)有人聲稱RISC-V是由一些拒絕與時(shí)俱進(jìn)的老派RISC激進(jìn)分子制造的。

前ARM工程師Erin Shepherd幾年前對(duì)RISC-V發(fā)表了有趣的評(píng)論：

RISC-V ISA追求極簡(jiǎn)主義，這是一個(gè)錯(cuò)誤。因?yàn)樗麄冞^(guò)分強(qiáng)調(diào)了最小化指令數(shù)量，規(guī)范化編碼等。這種極簡(jiǎn)主義的追求導(dǎo)致錯(cuò)誤的正交性（例如將相同的指令重新用于分支，調(diào)用和返回），并且需要多余的指令，這會(huì)影響代碼密度。指令的大小和數(shù)量。

讓我快速介紹一下。保持較小的代碼對(duì)性能有利，因?yàn)檫@樣可以更輕松地將正在運(yùn)行的代碼保持在高速CPU緩存中。

這里的批評(píng)是RISC-V設(shè)計(jì)師過(guò)于關(guān)注使用小的指令集。這畢竟是最初的RISC目標(biāo)之一。

這樣聲稱的結(jié)果是，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的程序?qū)⑿枰嗟闹噶顏?lái)完成工作，從而占用更多的內(nèi)存空間。

多年以來(lái)的傳統(tǒng)常識(shí)是，RISC處理器應(yīng)添加更多指令并變得更像CISC。這個(gè)想法是，更專業(yè)的指令可以代替多個(gè)通用指令的使用。

2

壓縮指令和宏操作融合但是，CPU設(shè)計(jì)中特別存在兩項(xiàng)創(chuàng)新，這些創(chuàng)新從許多方面使添加更多復(fù)雜指令的策略變得多余：

壓縮指令-指令在內(nèi)存中進(jìn)行壓縮，并在CPU的第一階段進(jìn)行解壓縮。

宏操作融合-將CPU讀取的兩個(gè)或更多簡(jiǎn)單指令融合為一個(gè)復(fù)雜指令。

ARM實(shí)際上已經(jīng)采用了這兩種策略，而x86 CPU則采用了后者，因此這并不是RISC-V的新招。

但是，這里有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：RISC-V從這些策略中獲得了更大的優(yōu)勢(shì)，其原因有兩個(gè)：

1.從一開(kāi)始就添加了壓縮指令。ARM上使用的Thumb2壓縮指令格式必須通過(guò)將其添加為單獨(dú)的ISA進(jìn)行改進(jìn)。這需要一個(gè)內(nèi)部模式開(kāi)關(guān)和單獨(dú)的解碼器來(lái)處理。但在RISC-V方面，壓縮指令可以添加到帶有最少400個(gè)額外邏輯門(mén)（AND，OR，NOR，NAND門(mén)）的CPU中。

2.RISC對(duì)保持唯一指令數(shù)量低的癡迷得到了回報(bào)。壓縮指令帶來(lái)更多空間。

3

指令編碼

后一部分需要一些闡述。在RISC架構(gòu)上，指令通常為32位寬。這些位需要用于編碼不同的信息。例如，假設(shè)有一條這樣的指令（hash marks comments）：ADD x1，x4，x8＃x1←x4 + x8

這的注冊(cè)內(nèi)容x4和x8結(jié)果存儲(chǔ)到x1。我們需要對(duì)此進(jìn)行編碼的位數(shù)取決于我們擁有的寄存器數(shù)量。RISC-V和ARM64具有32個(gè)寄存器。數(shù)字32可以用5位表示：2^5= 32

由于必須指定3個(gè)不同的寄存器，因此總共需要15位（3×5）來(lái)編碼操作數(shù)（用于加法運(yùn)算的輸入）。

因此如果我們希望在我們的指令集支持更多的東西，那么我們小號(hào)消耗的32bit位數(shù)越多。當(dāng)然，我們可以使用64位指令，但這將消耗過(guò)多的內(nèi)存，從而降低性能。

通過(guò)積極降低指令數(shù)量，RISC-V留出了更多空間來(lái)添加表示我們正在使用壓縮指令的位。如果CPU看到指令中的某些位被設(shè)置，則知道應(yīng)該將其解釋為壓縮指令。

4

壓縮指令：二合一

這意味著，我們可以將兩條16位寬的指令放入32位字中，而不必在32位字中插入一條指令。自然，并非所有的RISC-V指令都可以16位格式表示。因此，根據(jù)32位指令的效用和使用頻率來(lái)選擇它們的子集。未壓縮的指令可以使用3個(gè)操作數(shù)（輸入），而壓縮的指令只能使用2個(gè)操作數(shù)。因此，壓縮ADD指令如下所示：C.ADD x4，x8＃x4←x4 + x8

RISC-V匯編使用C.前綴來(lái)指示匯編器應(yīng)將指令轉(zhuǎn)換為壓縮指令。但是實(shí)際上您不需要編寫(xiě)此代碼。如果適用，RISC-V匯編程序?qū)⒛軌蜻x擇未壓縮指令而不是未壓縮指令。

基本上壓縮的指令減少了操作數(shù)的數(shù)量。三個(gè)寄存器操作數(shù)將消耗15位，而只剩下1位來(lái)指定操作！因此，通過(guò)使用兩個(gè)操作數(shù)，我們剩下了6位來(lái)指定操作碼（執(zhí)行操作）。

實(shí)際上，這與x86匯編的工作方式非常接近，在x86匯編中，保留的位數(shù)不足以擁有3個(gè)寄存器操作數(shù)。取而代之的是，x86會(huì)花費(fèi)一些位來(lái)允許例如一條ADD指令從存儲(chǔ)器和寄存器中讀取輸入。

5

宏操作融合：一對(duì)一

但是，當(dāng)我們將指令壓縮與宏操作融合相結(jié)合時(shí)，我們才能看到真正的收獲。你看，如果CPU得到包含兩個(gè)壓縮的16位指令的32位字，它可以融合這些成一個(gè)單一的復(fù)雜指令。

聽(tīng)起來(lái)像胡說(shuō)八道，難道我們不是剛回到起點(diǎn)嗎？我們不是要避免使用CISC樣式的CPU嗎？

不會(huì)，因?yàn)槲覀儽苊馐褂煤芏鄰?fù)雜的指令，x86和ARM策略來(lái)填充ISA規(guī)范。相反，我們基本上是通過(guò)簡(jiǎn)單指令的各種組合間接地表達(dá)大量復(fù)雜指令。

在正常情況下，宏融合存在一個(gè)問(wèn)題：盡管兩條指令可以被一條指令代替，但它們?nèi)匀幌膬杀兜膬?nèi)存空間。但是通過(guò)指令壓縮，我們不再消耗更多空間。我們兩全其美。

讓我們看一下Erin Shepherd的例子之一。在對(duì)RISC-V ISA的批評(píng)中，她展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)。為了清楚起見(jiàn)，我重寫(xiě)了一下：int get_index（int * array，int i）{

return array ［i］;

}

在x86上，它將編譯為：mov eax，［rdi + rsi * 4］

ret

當(dāng)您以編程語(yǔ)言調(diào)用函數(shù)時(shí)，通常會(huì)根據(jù)已建立的約定將參數(shù)傳遞給寄存器中的函數(shù)，這取決于所使用的指令集。在x86上，第一個(gè)參數(shù)放置在rdi寄存器，中第二個(gè)參數(shù)放置在中rsi寄存器中。按照慣例，返回值必須放在eax寄存器中。

第一條指令將rsi中的內(nèi)容乘以4。它包含我們的i變量。為什么要相乘？由于array都是由整數(shù)元素組成，因此它們之間的間隔為4個(gè)字節(jié)。因此，數(shù)組中的第三個(gè)元素實(shí)際上處于字節(jié)偏移量3×4 = 12。

之后，我們將其添加到rdi中，因?yàn)樗薬rray的基礎(chǔ)地址地址。這為我們提供了array中i元素的最終地址。我們讀存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，并將其存儲(chǔ)在eax，任務(wù)就此完成了。

在ARM上，它非常相似：LDR r0，［r0，r1，lsl＃2］

BX lr; return

在這里，我們不是與4相乘，而是r1寄存器向左移動(dòng)2位，這等同于與4相乘。這可能也是x86代碼中發(fā)生情況的更真實(shí)的表示。在x86上，您只能乘以2、4或8，所有這些都可以通過(guò)左移1、2或3來(lái)執(zhí)行。

無(wú)論如何，您幾乎可以從我的x86描述中猜測(cè)其余的內(nèi)容?，F(xiàn)在讓我們進(jìn)入RISC-V，真正的樂(lè)趣開(kāi)始了?。╤ash starts comments）

SLLI a1，a1，2＃a1←a1 《《 2

ADD a0，a0，a1＃a0←a0 + a1

LW a0，a0，0＃a0←［a0 + 0］

RET

在RISC-V寄存器上，a0，a1僅是x10和x11的別名。這些是放置函數(shù)調(diào)用的第一個(gè)和第二個(gè)參數(shù)的位置。RET是偽指令（簡(jiǎn)寫(xiě)）：JALR x0，0（ra）＃sp←0 + ra

＃x0←sp + 4 ingnoring resultJALR跳轉(zhuǎn)到ra引用返回地址的地址。ra是x1的別名。

無(wú)論如何，這看起來(lái)簡(jiǎn)直太可怕了吧？這樣簡(jiǎn)單而通用的操作的指令需要在表中進(jìn)行基于索引的查找并返回。

確實(shí)確實(shí)看起來(lái)很糟。這就是為什么Erin Shepherd高度批評(píng)RISC-V團(tuán)隊(duì)做出的設(shè)計(jì)選擇的原因。她寫(xiě)道：RISC-V的簡(jiǎn)化使解碼器（即CPU前端）更容易，但以執(zhí)行更多指令為代價(jià)。但是，縮放流水線的寬度是一個(gè)難題，而對(duì)輕微（或高度）不規(guī)則指令的解碼已廣為人知（當(dāng)確定一條指令的長(zhǎng)度不平凡時(shí)，主要的困難就出現(xiàn)了-x86在這種情況下尤其糟糕，因?yàn)樗麄冇謉眾惡多前綴）。

但是，由于指令壓縮和宏操作融合，我們可以解決這個(gè)問(wèn)題。C.SLLI a1，2＃a1←a1 《《 2

C.ADD a0，a1＃a0←a0 + a1

C.LW a0，a0，0＃a0←［a0 + 0］

C.JR ra

現(xiàn)在，這將占用與ARM示例完全相同的內(nèi)存空間。

好的，接下來(lái)讓我們做一些

Macro-op融合！

RISC-V中允許將操作融合為一個(gè)的規(guī)則之一是目標(biāo)寄存器是相同的。ADD和LW（加載字）指令就是這種情況。因此，CPU將這些指令轉(zhuǎn)換為一條指令。

如果SLLI也是如此，我們可以將所有三個(gè)指令融合為一個(gè)。因此，CPU會(huì)看到類似于更復(fù)雜的ARM指令的內(nèi)容：LDR r0，［r0，r1，lsl＃2］

為什么我們不能在代碼中直接編寫(xiě)這種復(fù)雜的宏操作？

因?yàn)槲覀兊腎SA不包含對(duì)它的支持！我們有有限的可用位數(shù)。為什么不延長(zhǎng)說(shuō)明時(shí)間呢？因?yàn)槟菚?huì)消耗太多內(nèi)存，并更快地填充寶貴的CPU緩存。

但是，如果我們?cè)贑PU內(nèi)部制造這些長(zhǎng)的半復(fù)雜指令，則無(wú)需擔(dān)心。因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，CPU永遠(yuǎn)不會(huì)漂浮數(shù)百條指令。因此，在每個(gè)指令上浪費(fèi)128位并不重要。每個(gè)人都有很多硅。

因此，當(dāng)解碼器獲得正常指令時(shí)，通常會(huì)將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)微操作。這些微操作是CPU實(shí)際處理的指令。這些可能真的很廣泛，并且包含許多額外的有用信息?？紤]到它們很寬，將它們稱為“微型”可能看起來(lái)具有諷刺意味。但是，“微型”是指它們執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量有限。

6

Goldie鎖定指令的復(fù)雜性

宏操作融合使解碼器的工作變得微不足道：我們沒(méi)有將一條指令變成多個(gè)微操作，而是采取了多種操作并將它們變成一個(gè)微操作。

因此，現(xiàn)代CPU中發(fā)生的事情顯得有些奇怪：

1.首先，它通過(guò)壓縮將兩條指令組合為一條。2.然后通過(guò)解壓將其分為兩部分。3.通過(guò)宏操作融合將它們組合回一個(gè)操作中。

相反，其他指令最終可能會(huì)分成多個(gè)微操作，而不是被融合。為什么有些人會(huì)融合而另一些人會(huì)分拆呢？關(guān)鍵是最終要進(jìn)行適當(dāng)程度的復(fù)雜性的微操作：

不太復(fù)雜，因?yàn)榉駝t它無(wú)法在為每個(gè)指令分配的固定數(shù)量的時(shí)鐘周期內(nèi)完成。

不太簡(jiǎn)單，因?yàn)槟菢游覀兙驮诶速M(fèi)CPU資源。執(zhí)行兩次微操作所需的時(shí)間是執(zhí)行一次微操作所需時(shí)間的兩倍。

這一切都始于CISC處理器。英特爾開(kāi)始將其復(fù)雜的CISC指令拆分為微操作，因此它們可以像RISC指令那樣更輕松地適應(yīng)其流水線。但是，在后來(lái)的設(shè)計(jì)中，他們意識(shí)到許多CISC指令是如此簡(jiǎn)單，以至于它們很容易與一種中等復(fù)雜的指令融合在一起。如果執(zhí)行的指令較少，則可以更快地完成。

7

這樣設(shè)計(jì)的好處

好的，這有很多細(xì)節(jié)，也許很難弄清重點(diǎn)是什么。為什么要進(jìn)行所有這些壓縮和融合？這聽(tīng)起來(lái)像很多額外的工作。

首先，指令壓縮與zip壓縮完全不同。“壓縮”一詞有點(diǎn)用詞不當(dāng)，因?yàn)榱⒓唇鈮嚎s已壓縮的指令非常簡(jiǎn)單。這樣做不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。記住，對(duì)于RISC-V來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單。僅使用400個(gè)邏輯門(mén)，即可執(zhí)行解壓縮。

宏操作融合也是如此。盡管這看起來(lái)很復(fù)雜，但是這些方法已經(jīng)在現(xiàn)代微處理器中使用。因此，已經(jīng)支付了這種復(fù)雜性的稅收或成本。

但是，與ARM，MIPS和x86設(shè)計(jì)人員不同，RISC-V設(shè)計(jì)人員在開(kāi)始設(shè)計(jì)ISA時(shí)就知道指令壓縮和宏操作融合?；蚋鼫?zhǔn)確地說(shuō)，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在設(shè)計(jì)原始ISA時(shí)對(duì)此一無(wú)所知。在設(shè)計(jì)x86和ARM指令的64位版本時(shí)，他們可能已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)。為什么他們沒(méi)有，我們只能推測(cè)。但是，似乎公司喜歡制作新的ISA，而這些ISA不會(huì)偏離更早的版本。通常，這是要消除過(guò)去的明顯錯(cuò)誤，而不是徹底改變哲學(xué)。

通過(guò)使用第一個(gè)最小指令集的各種測(cè)試，RISC-V設(shè)計(jì)人員取得了兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：

1.RISC-V程序通常會(huì)比其他任何CPU體系結(jié)構(gòu)占用或減少內(nèi)存空間。包括x86，考慮到它是CISC ISA，它本來(lái)可以節(jié)省空間。2.與其他ISA相比，它需要執(zhí)行的微操作更少。

基本上，通過(guò)設(shè)計(jì)具有融合功能的基本指令集，他們能夠融合足夠多的指令，從而使任何給定程序的CPU執(zhí)行的微操作都比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手少。

這使得RISC-V團(tuán)隊(duì)將宏操作融合作為RISC-V的核心策略。您可以在RISC-V手冊(cè)中看到很多有關(guān)可以融合哪些操作的注釋。您會(huì)看到已對(duì)指令進(jìn)行了修訂，以便更輕松地融合以常見(jiàn)模式顯示的指令。

將ISA保持較小意味著學(xué)生更容易學(xué)習(xí)。這意味著對(duì)于學(xué)習(xí)CPU架構(gòu)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)際上更容易構(gòu)建運(yùn)行RISC-V指令的CPU。

RISC-V具有每個(gè)人都必須實(shí)現(xiàn)的小型核心指令集。但是，所有其他指令都作為擴(kuò)展的一部分存在。壓縮指令只是一個(gè)可選擴(kuò)展。因此，對(duì)于簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，可以省略。

宏操作融合只是一種優(yōu)化。它不會(huì)改變整體行為，因此不需要您在特定的RISC-V處理器中實(shí)現(xiàn)它。

相反，對(duì)于ARM和x86，很多復(fù)雜性不是可選的。即使您嘗試創(chuàng)建最小的簡(jiǎn)單CPU內(nèi)核，也必須實(shí)現(xiàn)整個(gè)指令集和所有復(fù)雜的指令。

8

RISC-V設(shè)計(jì)策略

RISC-V吸收了我們對(duì)現(xiàn)代CPU的了解，并使其成為設(shè)計(jì)和ISA的選擇。例如，我們知道：

今天，CPU內(nèi)核具有先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)器。他們的預(yù)測(cè)可以在90％的時(shí)間內(nèi)糾正。

CPU內(nèi)核是超標(biāo)量的，這意味著它們可以并行執(zhí)行多個(gè)指令。

使用亂序執(zhí)行是超標(biāo)量的。

它們已pipelined。

這意味著不再需要諸如ARM支持的條件執(zhí)行之類的東西。在ARM上支持以指令格式占用位。RISC-V可以保存這些位。

有條件執(zhí)行的最初目的是避免分支，因?yàn)榉种?duì)pipeline不利。為了使CPU快速運(yùn)行，通常會(huì)預(yù)取下一條指令，以便在上一條指令完成其第一階段后立即選擇下一條指令。

但是對(duì)于條件分支，開(kāi)始填充pipeline時(shí)，您不知道下一條指令在哪里。但是，超標(biāo)量CPU可以簡(jiǎn)單地并行執(zhí)行兩個(gè)分支。

這也是RISV-C沒(méi)有狀態(tài)寄存器的原因。這在指令之間創(chuàng)建了依賴關(guān)系。每條指令越獨(dú)立，與另一條指令并行運(yùn)行就越容易。

RISC-V策略基本上是，我們?nèi)绾尾拍苁笽SA盡可能簡(jiǎn)單，并盡可能簡(jiǎn)化RISC-V CPU的最小實(shí)現(xiàn)，而又無(wú)需做出使高性能CPU成為可能的設(shè)計(jì)決策。

責(zé)任編輯：lq