網(wǎng)紅RISC-V有何特別之處？
20世紀(jì)90年代末，RISC和CISC爆發(fā)了一場大戰(zhàn)，自那以后，大家都說RISC和CISC的區(qū)別沒那么重要了。許多人表示，指令集也就那么回事，對CPU沒什么太大的影響。但其實不然，指令集決定了我們可以輕松為微處理器做哪些優(yōu)化。
本文將介紹RISC-V處理器是如何設(shè)計指令集的，這樣的設(shè)計具有什么好處。
我最近一直在了解有關(guān)RISC-V指令集架構(gòu) (ISA) 的更多信息，說起來，關(guān)于RISC-V ISA有幾件事給我留下了非常深刻的印象： ◆ 它是一種RISC指令集，體積小，易于學(xué) 習(xí) 。 不管是任何人，只要有興趣學(xué)習(xí)微處理器，選它準(zhǔn)沒錯。 ◆ 它在大學(xué)數(shù)字化設(shè)計教學(xué)中占據(jù)重要地位：為什么大學(xué)要學(xué)RISC-V。 ◆ 經(jīng)過巧妙地設(shè)計，它允許CPU設(shè)計生產(chǎn)者使用RISC-V ISA打造高性能微處理器。 ◆ 無需授權(quán)費，且被設(shè)計成允許簡單的硬件實現(xiàn)，按道理，專業(yè)愛好者可以在合理的時間內(nèi)完成他自己的RISC-V CPU設(shè)計。 ◆ 易于修改和使用的開源設(shè)計：The Berkely Out-of-Order（BOOM）RISC-V處理器。
01
RISC的復(fù)仇
當(dāng)我開始更深入地理解RISC-V時，意識到RISC-V是一種根本性的轉(zhuǎn)變，它回到了許多人認(rèn)為已經(jīng)過時的計算時代。在設(shè)計方面，RISC-V就像乘著時光機(jī)穿越回了上世紀(jì)八九十年代的經(jīng)典RISC時代。近年來，許多人指出RISC和CISC的區(qū)別不再重要，因為像ARM這樣的 RISC CPU已經(jīng)添加了太多的指令，很多指令相當(dāng)復(fù)雜，以至于它現(xiàn)在更像是一個混合的RISC CPU，而不是純粹的RISC CPU。而那些RISC CPU也是如此，比如PowerPC。 相比之下，RISC-V是RISC CPU真正的硬核。事實上，如果你在網(wǎng)上看過大家就RISC-V的討論，會發(fā)現(xiàn)有人聲稱RISC-V出自一些老學(xué)究式的RISC激進(jìn)分子之手，他們拒絕與時俱進(jìn)。 前ARM工程師Erin Shepherd幾年前就RISC-V寫過一篇評論，內(nèi)容很有意思： RISC-V ISA過分追求極簡主義。它非常強(qiáng)調(diào)最小化指令數(shù)、規(guī)范化編碼這些事。這種對極簡主義的追求導(dǎo)致了錯誤的正交性（例如針對分支、調(diào)用和返回重用同一條指令）和對冗余指令的需求，這在指令大小和數(shù)量這兩個方面影響了代碼密度。 我向大家簡單介紹一下背景。讓代碼更小對性能有好處，因為這樣就可以更容易將正在運行的代碼保存在高速CPU緩存中。 本文在此批評的是，RISC-V設(shè)計者太過于追求擁有小的指令集。盡管，這是RISC最初的目標(biāo)之一。然而，這樣做的弊端是，實際上程序在完成工作時將需要更多的指令，從而消耗更多的內(nèi)存空間。多年來，人們普遍認(rèn)為RISC處理器應(yīng)該增加更多的指令，變得更像CISC。其理論依據(jù)是，更專門化的指令可以替代對多個通用指令的使用。
02
壓縮指令和宏融合
然而，在CPU設(shè)計中有兩項特別的創(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——在內(nèi)存中壓縮指令，并在CPU的第一階段進(jìn)行解壓。 ◆ 宏融合——將兩個或兩個以上由CPU讀取的簡單指令融合成一個復(fù)雜指令。 實際上ARM已經(jīng)采用了這兩種策略，而x86 CPU則采用了后者，所以這不能算是RISC-V的新招術(shù)。 然而，關(guān)鍵是RISC-V從這些策略中獲得了更大的優(yōu)勢，這里面有兩個重要原因： ◆ 它從一開始就添加了壓縮指令。 在 ARM 上使用的是 Thumb2 壓縮指令格式，這就必須將其作為一個單獨的ISA來添加以完成改造，這需要一個內(nèi)部模 式切換和單獨的解碼器來進(jìn)行處理。 RISC-V壓縮指令可以添加到具有400個額外邏輯門 (AND、OR、NOR、NAND 門) 的CPU上。 ◆ RISC執(zhí)著地控制獨特指令的數(shù)量得到了回報，如此就有了更多的空間來容納壓縮指令。
03
指令編碼
這一部分需要進(jìn)行一些解釋。指令在RISC體系結(jié)構(gòu)上通常是32位（即比特）寬的。這些比特需要用來編碼不同的信息。例如，下面這樣一條指令： ADD x1, x4, x8 # x1 ← x4 + x8
這條指令將累加寄存器x4和x8的內(nèi)容，然后將結(jié)果存儲在x1中。我們需要多少比特來編碼，這取決于我們有多少寄存器。RISC-V和ARM64有32個寄存器。可以用5比特表示數(shù)字32：
2? = 32
因為我們需要指定3個不同的寄存器，所以我們需要總共15比特 (3×5) 來編碼操作數(shù) (累加操作的輸入)。 因此，我們想要在指令集中支持的東西越多，那么就會消耗掉那32比特中更多的比特。當(dāng)然，我們可以使用64位指令，但是這會消耗太多的內(nèi)存，從而降低性能。 通過刻意壓低指令的數(shù)量，RISC-V節(jié)省下更多的空間來添加表示我們正在使用的壓縮指令的比特。如果CPU看到指令中的某些位被設(shè)置為1，它就知道這條指令應(yīng)該作為一條壓縮指令來進(jìn)行解釋。 04
壓縮指令——二到一
這表示，我們可以將兩條16位寬的指令裝入一個32位字，而不是一個32位字只裝入一條指令。當(dāng)然，并不是所有的RISC-V指令都可以用16位格式表示。因此，32位指令的子集是根據(jù)它們的效用和使用頻率來挑選的。未壓縮指令可以接受3個操作數(shù) (輸入)，而壓縮指令只能接受2個操作數(shù)。因此，壓縮后的ADD指令應(yīng)該如下所示：（# 號后為注釋）
C.ADD x4, x8 # x4 ← x4 + x8
RISC-V匯編程序使用前綴 c. 來指示一條指令應(yīng)該被匯編程序轉(zhuǎn)換成一個壓縮指令。但實際上你不需要去寫它。RISC-V匯編程序?qū)⒛軌蛟谶m當(dāng)?shù)臅r候選擇是壓縮指令還是非壓縮指令。 基本上，壓縮指令減少了操作數(shù)的數(shù)量。三個寄存器操作數(shù)將消耗15比特，而留給我們指定操作的就只剩下1比特了！因此，將操作數(shù)減少到兩個，我們就能剩下6比特來指定操作碼 (要執(zhí)行的操作)。 這實際上接近于x86匯編的工作方式，在x86匯編中沒有足夠的比特來保留3個寄存器操作數(shù)。取而代之的是，x86使用一些比特來允許像ADD這樣的指令從內(nèi)存和寄存器中讀取輸入。 05
宏融合——一到二
但是，當(dāng)我們將指令壓縮與宏融合結(jié)合起來看時，才能發(fā)現(xiàn)真正的收益。你看，如果CPU得到一個包含有兩個16比特的壓縮指令的32比特的字，它可以把這些合并成一條單一的復(fù)雜指令。這聽起來很荒謬，我們不是又回到原點了嗎？我們是不是又回到CISC風(fēng)格的CPU，這不正是我們試圖要避免的嗎？ 不是的，因為我們避免用大量復(fù)雜的指令、x86和ARM策略填充ISA規(guī)范。相反，我們基本上是通過各種簡單指令的組合來間接地表達(dá)一整套復(fù)雜指令。 在正常情況下，宏融合存在一個問題：雖然兩條指令可以被一條指令替換，但它們?nèi)匀粫膬杀兜膬?nèi)存空間。但是使用指令壓縮，我們不會消耗更多的空間。我們做到了兩全其美。 讓我們來看看艾琳·謝潑德的一個例子。在她批評RISC-V ISA時，展示了一個簡單的C函數(shù)。為了解釋起來更清楚一些，我把它重新寫了下來，內(nèi)容如下：
int get_index(int *array, int i) {
return array[i];
}
在x86上編譯成:
mov eax, [rdi+rsi*4]
ret
當(dāng)你在編程語言中調(diào)用函數(shù)時，參數(shù)通常會根據(jù)既定的約定傳遞給寄存器中的函數(shù)，這將取決于你所使用的指令集。在x86上，第一個參數(shù)放在寄存器 rdi 中，第二個放在 rsi 中。按照慣例，返回值必須放在寄存器eax中。 第一條指令將 rsi 的內(nèi)容乘以4。它包含了變量 i。為什么乘？因為數(shù)組是由整數(shù)元素組成的，所以它們之間的間距為4個字節(jié)。因此，數(shù)組中的第三個元素的字節(jié)偏移量實際上是3×4=12。 然后，我們把它添加到rdi，它包含數(shù)組的基址。于是，我們得到了數(shù)組第 i 個元素的最終地址。我們讀取該地址的存儲單元的內(nèi)容，并將其存儲在 eax 中：大功告成。 在ARM上與之很相似：
LDR r0, [r0, r1, lsl #2]
BX lr ; return
這里我們不是乘以4，而是將寄存器r1向左平移2位，這就相當(dāng)于乘以 4。這也可能是更本真地表示了x86代碼中所發(fā)生的情況。在x86上，你只能乘以2、4、8，所有這些其實都可以通過左移1、2、3位來實現(xiàn)。 我想，x86描述中的剩余內(nèi)容你肯定都能猜得到了。現(xiàn)在讓我們進(jìn)入 RISC-V，真正有趣的內(nèi)容開始嘍！（# 號后為注釋）
SLLI a1, a1, 2 # a1 ← a1 << 2 ADD a0, a0, a1 # a0 ← a0 + a1 LW a0, a0, 0 # a0 ← [a0 + 0] RET
RISC-V上的寄存器a0和a1只是x10和x11的別名。它們是放置函數(shù)調(diào)用的第一個和第二個參數(shù)的地方。RET是一條偽指令（簡寫）：
JALR x0, 0(ra) # sp ← 0 + ra
# x0 ← sp + 4 ignoring result
JALR 跳轉(zhuǎn)到 ra 引用返回地址的地址。ra 是 x1 的別名。 不管怎樣看，這似乎都很糟糕，對吧？對于像在表中執(zhí)行基于索引的查找并返回結(jié)果這樣簡單而常見的操作，需要兩倍的指令。 看上去確實很糟糕。這就是為什么艾琳·謝潑德強(qiáng)烈批評了 RISC-V 的設(shè)計選擇。她寫道： RISC-V 的簡化使解碼器 (即 CPU 前端) 更簡單，但代價是執(zhí)行更多的指令。然而，真正棘手的問題是擴(kuò)展流水線的寬度，而稍稍不規(guī)則甚至很不規(guī)則的指令其解碼都不會有太大的問題，主要難點是確定指令的長度，尤其是 x86，因為它有很多前綴。 然而，多虧了有指令壓縮和宏融合，我們可以扳回這一程。
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，這和 ARM 的例子中所占用的內(nèi)存空間是完全相同的。 好吧，接下來讓我們做一些 宏融合！ 在 RISC-V 中允許將多個操作融合為一個的規(guī)則之一是，目標(biāo)寄存器得是相同的。ADD 和 LW(加載字) 指令就屬于這種情況。因此，中央處理器將把這些轉(zhuǎn)換成一條指令。 如果 SLLI 也是這樣的話，我們就可以把這三條指令融合成一條了。因此，CPU 會看到一些類似于更復(fù)雜的 ARM 指令的東西：
LDR r0, [r0, r1, lsl #2]
06
為何不能在代碼中直接編寫此宏操作
因為我們的 ISA 不包含對它的支持！記住，可用的比特數(shù)是有限的。為什么不把說明寫長一點呢？不行，那樣會消耗太多的內(nèi)存，并且會更快填滿寶貴的 CPU 緩存。然而，如果我們在 CPU 內(nèi)部制造這些半復(fù)雜的長指令，也沒有什么可擔(dān)心的。CPU 在任何時候所面對的指令最多也不過幾百條。所以在每條指令上浪費個 128 比特不是什么大問題。每個人都有足夠的硅。 因此，當(dāng)解碼器得到一條正常指令時，它通常會把它轉(zhuǎn)換成一個或多個“微”操作。這些“微”操作是 CPU 實際要處理的指令。它們可以非常地“寬廣”，包含很多額外的有用信息。稱之為“微”似乎有些諷刺，因為它們其實很“廣”。然而事實上“微”指的是它們做的任務(wù)數(shù)量有限。
07
指令的復(fù)雜性
宏融合將解碼器的工作做了一點改變：不再是將一條指令轉(zhuǎn)換成多個微操作，而是將多個操作轉(zhuǎn)換成一個微操作。因此，在現(xiàn)代 CPU 中發(fā)生的事情看起來相當(dāng)奇怪:
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首先，它通過壓縮將兩條指令合并為一條指令。
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然后借助解壓把它分成兩部分。
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通過宏融合將它們合并到一個操作中。
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不能太復(fù)雜，否則無法在為每條指令分配的數(shù)量固定的時鐘周期內(nèi)完成。
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不能太簡單，因為那純粹就是浪費CPU資源。執(zhí)行兩個微操作的時間是執(zhí)行一個微操作的時間的兩倍。
08
RISC的好處
好了，以上解釋了很多細(xì)節(jié)，也許你很難一下子弄清楚重點是什么。為什么要進(jìn)行壓縮和融合？聽起來有很多額外的工作要做。首先，指令壓縮和zip壓縮完全不同?！皦嚎s”這個詞其實有點用詞不當(dāng)，因為立即解壓一條已壓縮的指令非常簡單。做這件事并不浪費時間。記住，對于RISC-V來說這很簡單。只需400個邏輯門，就可以完成解壓。 宏融合也是如此。雖然這看起來很復(fù)雜，但這些方法已經(jīng)在現(xiàn)代微處理器中得到了應(yīng)用。因此，這種復(fù)雜性的學(xué)費早就已經(jīng)交過了。 然而，與ARM、MIPS和x86設(shè)計者不同的是，RISC-V設(shè)計者在開始設(shè)計ISA時就了解指令壓縮和宏融合。或者更準(zhǔn)確地說，當(dāng)他們最初的ISA被設(shè)計出來的時候，那些競爭對手們并不知道這一點。當(dāng)設(shè)計64位版本的 x86 和 ARM 指令集時，他們可能已經(jīng)考慮到了這一點。那么，為什么他們沒有這樣做呢，我們只能揣測?？赡苁沁@些公司制作新的ISA時，不喜歡過多地偏離早期版本吧。通常它更著重于消除以往明顯的錯誤，而不是顛覆之前的理論基礎(chǔ)。 通過對第一個最小指令集展開各種測試，RISC-V的設(shè)計者有了兩個重要的發(fā)現(xiàn)：
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通常RISC-V程序占用的內(nèi)存空間接近或少于任何其他CPU體系結(jié)構(gòu)，包括x86，鑒于x86是CISC ISA，所以被公認(rèn)是最節(jié)省空間的。
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它需要執(zhí)行的微操作數(shù)比其他ISA更少。
09
RISC-V設(shè)計策
RISC-V利用了我們當(dāng)今對現(xiàn)代CPU的了解，并用這些知識指導(dǎo)了他們在設(shè)計時的選擇。例如，我們知道:-
如今，CPU內(nèi)核會提前做分支預(yù)測。它們的預(yù)測正確率超過90%。
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CPU內(nèi)核是超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的，這意味著它們在并行執(zhí)行多條指令。
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使用無序執(zhí)行做到超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)。
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它們是流水線式的。
10
業(yè)界有什么說法？
好吧，從理論上這聽起來可能很好，但在現(xiàn)實世界中也果真如此嗎？科技公司對此有什么看法？他們是否認(rèn)為RISC-V ISA比商業(yè)ISA（如ARM）提供了實實在在的好處？ RISC-V甚至不在備選的采購清單上，但隨著Esperanto的工程師們對它越來越多的研究，他們漸漸意識到它不僅僅是一個玩具或者是一個教學(xué)工具?！拔覀冋J(rèn)為RISC-V（相對于Arm或MIPS或SPARC）可能會損失30%到40%的編譯效率，因為它太簡單了?！盌itzel說?！暗覀兊木幾g器專業(yè)人員對它進(jìn)行了基準(zhǔn)測試，難以置信的是只有1%左右。” Esperanto Technologies現(xiàn)在只是一家小公司。像英偉達(dá)這樣擁有大量經(jīng)驗豐富的芯片設(shè)計師和資源的大公司呢？英偉達(dá)在他們的板卡上使用了一種叫做“獵鷹”的通用處理器。在評估備選方案時，RISC-V名列前茅。免責(zé)聲明：本文內(nèi)容由21ic獲得授權(quán)后發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有，本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。文章僅代表作者個人觀點，不代表本平臺立場，如有問題，請聯(lián)系我們，謝謝！
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