什么是RISC-V？以及RISC-V和ARM、X86的区别

前言

RISC-V是基于RISC精简指令集架构开发的一个开放式指令集架构，它是由加州大学伯克利分校的计算机科学教授Krste Asanovic（克里斯蒂安·阿萨诺维奇）领导的团队开发，RISC-V是开放的，任何人都可以使用它来开发处理器芯片和其他硬件，而无需支付任何许可或使用费用。RISC-V的设计简单，易于扩展和自定义，可以在各种应用场景和市场中使用。

什么是指令集架构？

指令集架构（Instruction Set Architecture，简称ISA）是计算机系统中的一个重要概念，指的是计算机中处理器的指令集和处理器的内部结构，即处理器是如何执行指令的。

ISA规定了一套指令集，包括指令的种类、指令的格式、指令的操作数、指令的执行方式等。ISA也规定了处理器的内部结构，包括处理器的寄存器、指令流水线、内存管理单元等。

不同的ISA有不同的指令集和内部结构设计，因此处理器的计算能力和性能也会有所不同。常见的ISA包括ARM、x86、MIPS、PowerPC、RISC-V等。ISA的选择对计算机系统的性能、功耗、软件兼容性、应用场景等都有很大的影响。

简单点比喻可以把指令集架构理解为图纸，处理器就是房子。

RISC和RISC-V的区别

RISC全称Reduced Instruction Set Computer，即精简指令计算机，它是指令集架构，它的理念在于旨在通过减少指令集的数量和复杂度，提高计算机的性能和效率。

RISC最初由加州大学伯克利分校David Patterson和John Hennessy在1980年代提出，并于1984年合著了一本名为“Computer Architecture: A Quantitative Approach”（中文译名为《计算机体系结构：量化研究方法》）的经典教材，该书详细介绍了RISC架构和量化分析方法，成为当时计算机体系结构领域的重要参考书。

RISC-V是由Krste Asanovic教授领导其团队基于RISC精简指令集架构开发的一款开源指令集架构，RISC-V具有更好的灵活性以及扩展性，同时它比RISC更加简单便于它人二次开发和扩展，并且它不需要任何授权费，可以应用于商业场景因为它遵循BSD开源协议，可以把RISC-V理解为RISC的扩展版。

RISC-V的发展历史

RISC-V的创作者

RISC-V是由多位学者和工程师共同开发的，以下是一些主要贡献者：

1. Krste Asanovic：加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学教授，RISC-V的创始人之一。

2. Andrew Waterman：加州大学伯克利分校博士研究生，RISC-V的主要开发者之一。

3. David Patterson：加州大学伯克利分校计算机科学教授，计算机体系结构领域的知名学者，RISC-V的顾问之一。

4. Yunsup Lee：加州大学伯克利分校博士研究生，RISC-V的主要开发者之一。

5. Alberto Sangiovanni-Vincentelli：加州大学伯克利分校教授，计算机电子学领域的知名学者，RISC-V的顾问之一。

此外，在RISC-V的开发过程中还得到了来自多家公司的支持和参与，包括英特尔、谷歌、诺基亚、贝尔、卡内基梅隆大学、华为、科技大学格拉茨、西部数据等。

创造RISC-V的原因

最初Krste Asanovic想找一款免费高效的指令集架构用于教育方面，就像Andrew S. Tanenbaum（安德鲁·斯图尔特·塔能鲍姆）当初觉得UNIX闭源而开发MINIX从而启发并诞生后来的LINUX一样，在当时碍于ARM和x86都是需要授权的指令集架构，当时基于RISC实现的指令集架构都比较复杂效率低下，所以Krste Asanovic决定基于RISC开发一款免费、开放、高效的指令集架构，所以他在2008年开始主导开发RISC，RISC-V是第五个版本，在此之前已经迭代了四个版本，RISC-V就是第五个版本。

以下是总结并整理为什么创造RISC-V的几个原因：

1. 开放性：Krste Asanovic认为，计算机行业需要一种更加开放的指令集架构，以便更多的公司和个人可以参与到处理器的设计和开发中。这也是为什么RISC-V采用BSD开源协议，可以自由地使用和分发。

2. 灵活性：传统的指令集架构大多采用固定长度的指令，这限制了处理器的灵活性和指令集的扩展能力。而RISC-V指令集架构采用了可变长度的指令，可以实现更加灵活和高效的指令集扩展和自定义。

3. 可定制性：Krste Asanovic认为，处理器的设计应该是可定制的，以满足不同应用场景的需求。而使用RISC-V指令集架构，处理器的设计可以根据具体的需求进行自定义，而不必受限于传统指令集的限制。

4. 教育性：Krste Asanovic希望通过开发RISC-V指令集架构，为学生和研究人员提供一个更加友好和易于理解的指令集，以便他们更好地学习和研究计算机处理器的设计和开发。

RISC-V与ARM、X86指令集架构的区别

RISC-V与ARM

RISC-V和ARM都是基于RISC的指令集架构，它们的主要区别如下：

• 指令集数量
  • ARM指令集和寄存器要比RISC-V丰富
• 指令集宽度
  • RISC-V指令集最大可以扩展到128位，目前ARM的v8-A架构最高只能扩展到64位指令集，通常RISC-V使用32位指令也支持压缩的16位指令
• 指令集复杂度
  • RISC-V的汇编比ARM的要更加简单容易理解
• 指令集执行方式
  • RISC-V更注重于执行效率和耗能优化，可以更好的适用于嵌入式和移动设备，ARM更注重于通用性和兼容性，适合更广泛的平台
  • RISC-V和ARM都支持分支预测，ARM还引入了分支目标缓存用于提高分支预测的准确度。
  • ARM指令的微操作数量一般很难确定，因为它也是RISC指令集，ARM有较为完善的指令，一些基础指令可能只有一个微操作而其它的可能会有多个微操作，但RISC-V指令集一般只有一个微操作。
• 指令集开放程度
  • RISC-V采用BSD开源协议，它无需授权就可以进行二次开发，ARM需要授权并且是闭源开发
• 指令集功耗与性能
  • ARM经过许多年的发展诞生了许多不同架构的指令集，性能与功耗都经过了广泛的优化，在这一点上ARM目前是胜于RISC-V的
• 指令集存储结构
  • ARM Cortex-M系列是哈佛结构，Cortex-A是冯诺依曼体系，RISC-V采用的是冯诺依曼

从我个人角度来说我认为RISC-V和ARM的区别更像Linux与Unix，最后综上总结RISC-V和ARM的具体区别如下：

1. 架构和指令集：RISC-V架构是开源的，而ARM不是，ARM架构只能由ARM授权合作伙伴使用。此外，RISC-V指令集具有可扩展性，可以根据不同的应用需求进行裁剪和扩展，而ARM指令集则有多个版本，在不同的应用场景中使用。

2. 许可和生态系统：RISC-V架构没有知识产权费用，使用和实现都是自由的，因此在学术界和开源社区中获得了广泛的支持和发展。而ARM架构需要授权才能使用，因此在商业市场中获得了更多的应用和支持。

3. 性能和功耗：由于ARM架构已经在市场上应用多年，因此在性能和功耗方面已经得到了广泛的优化。但是，RISC-V架构具有更好的可扩展性和灵活性，能够支持更多的应用和场景。

知识补充

条件执行

条件执行是根据上一条指令执行结果来判断的，在ARM架构中条件码存放于CPSR寄存器，相当于C语言的三目表达式，例如：

汇编：

CMP R0, #0        ;比较R0和0是否相等
ADDEQ R1, R0, R1  ;如果相等，则执行下一条指令，否则跳过

C语言

int max(int a, int b) {
    return a > b ? a : b; // 使用条件执行指令实现返回较大值
}

在条件执行中大多数指令为ADDNE、ADDEQ这样的指令，这些指令是根据前一条指令的执行结果，CMP会将比较结果写入CPSR，ADDEQ会去判断CPSR寄存器上面的标志位，如果标志位符合NE（equal）条件则将R0和R1相加的结果写入到R1中，ARM这样的设计是为了保证程序的正确执行，只有在条件正确的情况下才执行运算保证了程序的正确性，相当于C语言的if语句。

分支执行

汇编：

loop:
    ; 从用户处获取一个整数
    ...
     
    ; 检查整数是否为偶数
    and t0, x0, 0x1    ; 将整数与0x1进行与操作（获得最后一位二进制数），结果存储在t0中
    beq t0, x0, even   ; 如果最后一位二进制数为0，跳转到标签even处
    j odd              ; 否则跳转到标签odd处
 
even:
    ; 整数为偶数
    ...
    j loop             ; 跳转回循环开始
     
odd:
    ; 整数为奇数
    ...
    j loop             ; 跳转回循环开始

C语言

int max(int a, int b) {
    while(1) {
        if (a > b) { // 使用分支跳转实现返回较大值
            return a;
        } else {
            return b;
        }
    }
}

RISC-V和X86的区别

RISC-V是基于RISC指令集而X86则是复杂指令集（CISC），CISC是由Intel公司为第一块16位的CPU：i8086设计开发的复杂指令集。

• 指令集数量
  • CISC指令集中包含大量指令，每个指令都可以执行比较复杂的工作，指令集全面，而RISC需要多条指令组合执行，简单来说就是CISC指令集更加全面
• 指令集宽度
  • CISC目前有两个框架：IA-32（x86）、AMD64（x86-64），分别对应32位和64位指令集架构，而RISC-V最大可以支持128位指令集（需要扩展，原生态不支持），通常情况下RISC-V是32位指令宽度
• 指令集复杂度
  • RISC-V采用的是RISC指令集，所以要更加的简单易学，而x86的是CISC指令集由于历史原因CISC指令集较为复杂，指令集复杂的同时也会带来架构的复杂，而汇编是最接近底层的语言，学习汇编需要对CPU架构有一定了解，所以RISC-V的汇编更容易学习，因为它的架构比CISC要简单。
• 指令集执行方式
  • 因为CISC的指令种类繁多，所以处理器需要更大的硬件资源来支持CISC指令集的编码与执行过程，CISC每次执行指令通常涉及到多个微操作，而RISC-V指令集更加的简单不需要更大的硬件资源支持，同时每次执行指令一般只涉及到一个微操作
  • RISC-V和CISC都支持分支预测
• 指令的开放程度
  • RISC-V是免费开放不需要授权的指令集架构，CISC需要向Intel公司购买授权费
• 指令集功耗与性能

  • CISC架构的功耗通常比RISC架构高一些，这是因为CISC指令执行时需要更多的硬件资源，如更复杂的指令流水线、更加复杂的解码器和更大的缓存。同时，CISC指令中的一些复杂指令需要更多的时钟周期来执行，这导致了更多的功耗消耗。此外，CISC处理器中的指令规模较大，需要更多的存储器来存储指令集，而存储器的功耗也较高。

    但是，随着技术的发展，CISC架构的功耗也在不断降低，比如采用更小的制造工艺、更优化的流水线设计等。当前一些CISC架构的处理器已经采用了节能技术，如动态电源管理（DPM）和可变电压和频率技术（DVFS），以在降低功耗的同时提升性能。

  • 性能需要通过处理器的制作工艺来判断，比如集成度、内存层次结构、流水线和缓存设计等等，CISC由INTEL公司设计并制作，INTEL的芯片制作工艺还是比较强大的，但是如果在同样的制作工艺下RISC-V性能应该要胜于CISC。
• 指令集存储结构
  • RISC-V和CISC都采用的是冯诺依曼存储结构

综上总结如下：

1. 复杂度：CISC指令集非常复杂，每个指令可以执行多个操作，而RISC-V指令集采用精简指令集，每个指令只执行一项操作，因此更加简单。

2. 指令类型：CISC包含多种指令类型，包括数据操作、控制操作和I/O操作等，而RISC-V指令集通常只包含几种指令类型，主要包括算术逻辑操作、内存操作和分支跳转操作。

3. 可扩展性：RISC-V指令集极具可扩展性，允许开发者添加自定义指令，以便更好地满足特定应用程序的需求。而CISC指令集则缺乏这种灵活性。

4. 性能：RISC-V指令集通过简化指令集和硬件实现来提高性能，而CISC主要通过制作工艺和设计架构方面来提高性能。

简单来说RISC-V指令集更加简单、易于理解和可扩展，而CISC指令集则以复杂但多功能的指令为特点，两者在不同应用场景下都有一定的优势，RISC-V更适合应用在一些特定的场景下，CISC比较适合一些通用的应用场景。

什么是微操作？

微操作也称微指令，它是一个指令里要执行的步骤，指令可以划分为几个微操作，比如ADD指令可能有到三个微操作 ：

1. 取值到寄存器
2. 进行调用ALU进行加法运算
3. 将结果存放到寄存器里每个指令对应的微操作不同

有的指令需要更多的微操作去完成，在CISC中多个微操作可以在一个CPU时钟周期内完成，而RISC-V每个指令只有一个微操作，也就意味着一个时钟周期内只能执行一个微操作，所以如果RISC-V想要完成比较复杂的工作则需要更多的指令集组合起来才可以，RISC-V追求的是一步到位。

对浮点数的支持

RISC-V支持IEE754浮点标准