4、RISC-V指令集的优势
(1)完全开源。对于 RISC-V 指令集的使用,RISC-V基金会不收取高额的授权费。开源采用宽松的BSD 协议,企业可以完全自由免费使用,同时也允许企业添加自有指令集,而不必开放共享,实现差异化发展。
(2)架构简单。RISC-V设。处理器领域,流的架构为x8与ARM架构。x86与ARM架构的发展过程也伴随了现代处理器架构技术的不断发展成熟,但作为商用的架构,为了能够保持架构的向后兼容性,不得不保留许多过时的定义,导致其指令数目多,指令冗余严重,文档数量庞大,所以要在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。而RISC-V 架构则完全抛弃包袱,借助计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟的技术的优势,从轻上路。RISC-V基础指令集只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共也就几十条指令。RISC-V的规范文档仅有145页,而特权架构文档的篇幅也仅为 91页。
(3)易于移植操作系统。现代操作系统都做了特权级指令和用户级指令的分离,特权指今只能由操作系统调用,而用户级指令才能在用户模式调用,保障操作系统的稳定。RISC-V提供了特权级指令和用户级指令,同时提供了详细的 RISC-V 特权级指令规范和 RISC-V 用户级指令规范的详细信息,使开发者能非常方便地移植 Linux 和 UNIX 系统到RISC-V平台上。
(4)模块化设计。RISC-V 架构不仅短小精悍,其不同的部分还能以模块化的方式组纱在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用场景。用户能够灵活选择不同的模块组合,来实现自己定制化设备的需要,比如针对小面积低功耗嵌入式场景,用户可以选择RV32IC 组合的指令集,仅使用Machine Mode(机器模式);而高性能应用操作系统场景则可以选择RV32IMFDC 指令集,使用 Machine Mode(机器模式)与User Mode()户模式)两种模式。
(5)完整的工具链。对于设计CPU 来说,工具链是软件开发人员和 CPU 交互的窗口,若没有工具链,则对软件开发人员开发软件要求很高,甚至软件开发者无法让CPU 工作起来在CPU 设计中,工具链的开发是一个巨大的工作。如果用RISC-V来设计芯片,芯片设计公司则不用再担心工具链问题,只需专注于芯片设计,RISC-V社区已经提供了完整的工具链 RISC-V 基金会持续维护该工具链。当前RISC-V的支持已经合并到主要的工具中,比如编评工具链 GCC、仿真工具 QEMU 等。
5、RISC-V的特点
1).没有立即数减法
只有立即数加法指令(addi),没有立即数减法指令(subi),那么减法怎么办?无论是数学上还是程序上,x-y都等价于x+(-y),也就是说可以把减法变成加法,把被减数转化成负数然后再加上减数就实现了和减法一样的功能。正是基于这个原理,RISC-V只提供立即数加法,没有提供立即数减法,如果需要立即数减法,那么就要麻烦编译器把这个立即数转化成负数,然后继续使用加法。这也是 RISC-V将立即数作为有符号数处理的原因。
2). x0 寄存器简化指令集
引入x0 寄存器后,很多特殊指令只需用普通的指令加上 x0 做操作数就能解决,指令的数量大大减少,处理器的解码电路也大大简化。
3). 32 位常量
之前使用的ARM 处理器是将立即数表示不下的常量存到常量池,然后用PC相关的LDR指令加载到寄存器。RISC-V 的常量完全是用指令拼接,不需要 Load 指令,使用 Load 指令需要额外的访问周期。RISC-V 单条指令可以表示 12 位的有符号常量,超过 12 位需要两条指令来合成。其中一条指令是 lui,lui 指令加载常量的高 20 位,低 12 位可以用addi指令上去,这个过程需要编译器算出立即数到底是什么,因为 addi 指令执行的是有符号加法,其中的 12 位立即数会先被符号扩展成 32 位的有符号数再参与计算。ARM 的常量加载需要8个字节,一条指令加一个常量;RISC-V的常量加载也是需要8个字节,两条指令,两者占用的程序空间一样。
4).只有小于和大于等于
RISC-V 的比较跳转指令只有 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用了一个很巧妙的办法用两条指令实现了四条指令的工作,将 blt 的两个参与比较的操作数位置换一下就有了 bgt(大于跳转),将bge 的两个参与比较的操作数位置换一下就有了 ble(小于或等于跳转)。
5).让编译器做更多工作
对 RISC 的理解是处理器尽量少做、编译器尽量多做,这是非常有道理的,毕竟编译的次数远少于执行的次数。上面几点就提到不少要让编译器多做的工作,又例如 B-type 是比较跳转指令的格式,J-type 是长跳转或函数调用指令格式,注意它们的立即数排列次序,把填充这里的立即数交给了链接器的工作。这样排放偏移地址立即数是为了简化处理器的设计,但明显给编译器增加了工作。
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,但所有这些功能都还有只不过都是用其他的指令来等价实现,比如not 指令是用xorird,rs,-1实现。
6、RISC-V的x0寄存器
Linux 有两个特殊的设备:/dev/zero 和/dev/null。从/dev/zero 可以源源不断地读到0,往dev/null 写的任何内容都被丢弃。如果要创建一个需要填0的文件,就从dev/zero 拷贝,如
果要丢弃一些输出,就把输出重定向到/dev/null。RISC-V的x0寄存器就相当于是硬件版的/dev/zero 和/dev/null的组合体。从0读出来的总是0,往x0 写进去的总是被丢弃。所以 x0 提供两种功能:一是提供常量0,在软件编程中0可以说是最常用的常量:二是提供一个可以丢弃结果的场所。有了 x0 寄存器,很多本来需要单独指令的操作只要在普通的指令前加上x0 就可以实现。
(1)nop 空指令,RISC-V没有提供nop 指令,而是用addi x0,x0,0来实现空指令,这条addi 使用x0作为目标存器,会丢弃结果,所以这条指令不会对程序状态产生任何影响,和空指令是完全等价的,这就不需要单独的空指令了。
(2)neg 取负数指令,RISC-V用 sub rd,x0,rs 来实现,x0-rs 等价于0-rs,等价于-rs,有了x0,就可以用更普通的减法指令来实现取负数指令。
(3)j跳转指令,RISC-V 没有单独的跳转指令,只有jal跳转链接指令,跳转之前总是要把下一条指令的地址拷贝到寄存器,但是如果用 x0 作为jal 的操作寄存器,即把下-条指令的地址拷贝到 x0,那么效果就等价于j跳转指令了,因为写入 x0 的任何值都会被丢弃。
(4)beqz等于零跳转指令等一系列和0比较的跳转指令,程序中和0比较是相当常见的操作,RISC-V 中和0比较的指令是普通的比较跳转指令,是用 x0 寄存器做指令的操作数。还有很多其他这样的指令,用普通的指令加上 x0 做操作数,就实现了那些没有x0 寄存器的处理器需要单独指令或者需要组合两条指令才能实现的操作。