浅谈RISC-V指令集

1 .浅谈RISC-V指令集 宋威 2018年6月22日 

2 .内容简介 • RISC-V指令集 计算机体系结构与微结构、指令集分类、扩展、指令集设计思路等等。 • RISC-V基金会 RISC-V基金会、RISC-V的商业模式、RISC-V商标和兼容性测试。 • RISC-V在中国的发展 2 

3 .什么是RISC-V • RISC-V是加州伯克利大学研发的第五代精简指令集（RISC）。 – Krste Asanovic，加州伯克利教授，RISC-V基金会主席。 – David Patterson，量化分析一书的作者，RISC概念的提出者，图灵奖获得者。 – Andrew Waterman，SiFive首席工程师，Rocket处理器的作者。 – Yunsup Lee，SiFive首席技术官，Rocket处理器的作者。 • RISC-V是一个开放指令集。 – 体系结构≠处理器设计。 – RISC-V只定义了软件和硬件的接口，而并不定义具体处理器实现。 – RISC-V的设计是仔细考虑了硬件和软件实现的代价。 – RISC-V是开放的，免费的，但是遵循RISC-V标准设计的CPU不一定开放并免费。 • RISC-V是一个全新的指令集 – RISC-V在加州伯克利内部使用了几年，然后于2014年公开。 – RISC-V指令集的设计吸取了过去几十年来各类指令集（Alpha，ARM, MIPS, Power，x86等）成功和失败的经验教训 – RISC-V是一个模块化可扩展的指令集。能够支撑面向从IoT到高性能计算的所有 应用。 3 

4 .RISC-V的设计思路 • 简单的硬件支持最核心的指令功能。 – 基本指令集的编码设计支持高效的指令解码硬件。 – 所有基本指令都是单周期指令（不支持多周期指令）。 – 不使用条件执行指令，简化处理器控制逻辑。 – 不支持缓存直接控制指令，简化一致性处理。 – 支持安全的新特性（SMAP/SMEP/KPTI）。 – 简单的通过16/32-bit混和指令长度就可以达到和X86、ARMv8同样的指令密度 • 可扩展的指令集设计 – 两个基本指令集（RV32和RV64）支持所有的基本功能。 – 支持多种指令长度（16/32/48/64） – C：压缩指令集,16比特比特指令，面向超小系统和高性能系统。 – A：原子操作指令集；M：整数乘除指令集。 – F：单精度浮点计算；D：64位双精度浮点计算；Q：128位浮点计算指令集。 – B：比特处理指令集；P：Packed SIMD指令集；V：vector指令集。 – J：动态翻译（Dynamic Binary Translation）指令集。 4 

5 .RISC-V的编码设计 • 指令功能编码在地位（提 前辨别16/32/48比特指 令）。 RISC-V 指令编码 • 源/目的寄存器地址位置 恒定，便于硬件提取。 • 立即数比特位置尽量对齐， 便于硬件提取。 ARM v8-A 指令编码 5 

6 .RISC-V指令的选取 • RV32/64I 指令数<50, 简单的硬件支持最核心的指令功能。 • 支持高性能乱序处理器 – 所有的指令都是单周期指令 方便指令调度。 – 没有条件执行指令（Predicated instructions） 条件执行指令将控制引入了数据依赖，调度复杂，只在短小的条件执行片段有 优势。当分支预测准确度提升之后，没有性能提高。 – 没有多寄存器压栈和取栈指令 多周期指令使得调度更加复杂，硬件更加复杂，可以通过millicode达到类似的 代码密度，没有实际优势。 • 支持嵌入式处理器 – 所有的指令都是单周期指令 执行时间确定。 – 支持压缩指令 通过benchmark选择最常用的压缩指令子集。 – 支持RV32E嵌入式指令集 通过减少通用寄存器数量至16减小指令编码空间。 6 

7 .RVC压缩指令 • 每一条RVC指令对应一条RV指令 – 硬件只需要扩展处理器缓存对RVC的翻译即可，不需更改解码和执行单元 – RVC指令的插入变成了简单替换，可由连接器完成 – 支持RVC和RV指令的混放 SPEC2006，Krste: “Why RISC-V ISAs Want to be Free”, 2017 7 

8 .支持micro-op fusion • 处理器在一个周期执行两条指令 – 不引入新的依赖关系 – 不引入新的寄存器读口 – 当作一条新的指令处理，只需扩展指令译码器 • 例子： – 远函数调用 jal 0xFFFFF804 lui ra, 0xFFFF; jalr ra, ra, 0x804 – 数组下标取值 // rd = array[offset], x1 = &(array), x2 = offset add x1, x1, x2; ld rd, 0(x1) c.add x1, x1, x2; c.ld rd, 0(x1) // 32-bit • 使用micro-op fusion + RVC可以构造新的32bit指令 8 

9 .支持系统页表分离KPTI • 为了防止攻击者利用Meltdown漏洞读取系统页数据，RISC-V将在 RISC-V priv (特权)标准 v1.2中加入KPTI支持，分离系统页表和用 户也表。 – 所有的进程共享一个系统页表(satp) – 每一个用户进程使用独立的用户也表(suatp) – 仍然支持共享页表系统 • RISC-V的实现方式 – 系统写satp时会同时写suatp: 当系统页表被初始化时，默认用户页表失效，选择 共享页表模式 – 系统写suatp则只改变用户也表：支持用户也表只需要多一条CSR写操作 – 如果使用共享页表方式，使用satp即可 – 如果使用分离页表，进程上下文保存suatp即可（上下文操作没有本质改变） – 系统和用户使用不同的ASID • RISC-V在定义扩展时会充分考虑兼容现有处理器实现 9 

10 .缓存控制指令 • RISC-V现在并没有缓存控制指令：flush, prefetch • 支持微处理器（scratchpad）和高性能服务器（榨取cache性能） • 缓存控制指令的草案第5版 – FENCE(有的架构也叫barrier) – 预取 – 缓存锁定(把部分缓存的区域变成scratchpad) – 缓存清理(flush) – 其他破坏性缓存操作 • MEM.DISCARD 直接失效缓存区域（数据丢失，用于抛弃无用数据而避免写回） • MEM.REWRITE 为写操作直接初始化缓存区域而不读取数据（已知数据会被彻底覆盖时，可以直接创 建缓存数据同时标记已修改） • 基本原则 – 所有的缓存指令都必须是hint，可以当作NOP处理 10 

11 .其他已接受/讨论中的扩展 • 调试指令扩展 – 支持semi-host，使用调试器当I/O • 内存模型定义 – 默认RVWMO 弱内存模型，可支持RVSTO 强模型 • Vector/Packed-SIMD • Microcontroller profile (RV32E) • 快速中断 11 

12 .RISC-V的组织形式 • Krste Asanovic 是RISC-V商标的所有者。 – Krste授权RISC-V基金会使用RISC-V商标。 – 防止RISC-V基金会被大公司或者政府控制，最后的杀手锏。 • RISC-V基金会是RISC-V标准的管理机构 – 在美国成立的非盈利组织，采取会员制。 – RISC-V董事会成员在RISC-V的白金会中差额选举产生。 – RISC-V董事会审核由工作小组提交的指令集扩展草案并组织投票。 – RISC-V下设技术委员会和市场委员会。 • RISC-V技术委员会和市场委员会 – 由RISC-V的可投票会员选举产生，负责管理RISC-V工作小组和市场营销。 • RISC-V工作小组 – 由RISC-V会员组成，讨论并起草RISC-V指令集扩展草案。 12 

13 .RISC-V的会员 • RISC-V独立会员（Individual） – 可以参加工作小组讨论。 – 99美元每年。 • RISC-V旁观会员（Audit） – 可以参加工作小组和委员会，但不可以投票。 – 2,500美元每年。 • RISC-V白银会员（Silver） – 可以参与投票。 – 5,000美元每年。 • RISC-V黄金会员（Gold） – 可以成为工作小组主席。 – 10,000美元每年。 • RISC-V白金会员（Platinum） – 可以入选为RISC-V董事会成员。 – 25,000美元每年。 13 

14 .RISC-V的会员（非官方解释） • 所有的RISC-V会员都必须签署RISC-V的会员协议（by-law）。 – 会员协议规定了会员的年费、投票权、参与权等等。 – 会员协议规定了会员不可以保护其对RISC-V标准的贡献。即会员不可以专利化其 对RISC-V标准的贡献，从而在将来索取专利费。 – 会员之间不可以互诉对方侵犯其关于RISC-V的专利。 14 

15 .RISC-V扩展指令集的产生 • RISC-V技术委员会或市场委员会成立工作小组。 • 工作小组选取自己的主席（必须是黄金或白金会员）和副主席，制定标 准扩展草案的轮廓。 • 当工作小组完成标准草案，草案向公众（非基金会成员）公布45天，搜 集意见。 • 45天后，工作小组根据搜集的意见，选择做出改动然后递交基金会审阅， 或重新编写草案重新公布。 • 如果提交基金会，工作小组必须对公示期内的所有意见提供反馈，并且 对组内的反对意见给出解释。 • 如果草案被提交基金会，基金会董事会将根据草案和意见反馈决定是否 展开投票。（董事会每月会举行一次） • 如果投票通过，草案成为标准的一部分。 15 

16 .RISC-V的商业模式 • RISC-V是一个非盈利组织。 – RISC-V基金会管理RISC-V指令集标准的制定，本身不从标准获利。 – RISC-V基金会保证RISC-V指令集标准是开放并免费获取的。 – RISC-V指令集的使用是免费的（有条件，见下）。 – 声称兼容RISC-V指令集的处理器需要通过RISC-V兼容性测试。 – 在商业产品中使用RISC-V商标需要成为RISC-V基金会成员。 – （例外）在非商业研究和学术项目中可以免费使用RISC-V商标。 – RISC-V对处理器本身的商业形式没有任何限制。 16 

17 .RISC-V的主要会员 • 白金会员： – 谷歌：TPU – Microsemi：FPGA – nVidia: GPU controller, (安全扩展) – 西部数据: SD controller – 高通, Rambus, Marvell, Micron Technology, NXP, 三星, SiFive, UC Berkeley, 中兴微电子 • IC公司 – BAE Systems， 晶心科技(快速中断，ABI,GCC,LLVM)， MediaTek，Lattice， 西门子，华为，VeriSilicon，CEVA， Dolphin Integration， GlobalFoundries， IAR Systems， QuickLogic，希捷，C-sky • EDA公司 – Bluespec，UltreSoC，Imperas，Mentor • 其他 – IBM，特斯拉 • 中国公司 – 华为， VeriSilicon，中科院计算所，中兴微电子，C-sky 17 

18 .一些较有名的RISC-V处理器实现 • Rocket – UC Berkeley, SiFive, lowRISC – 6级有序流水线，Chisel实现，SiFive的主打产品，对标ARM Cortex-A53 – 多次流片 • BOOM – UC Berkeley – 乱序流水线，Chisel实现，对标ARM Cortex-A57 – 多次流片 • PULP – ETH Zurich – 从1级到5级流水线，SystemVerilog实现，AXI总线，低功耗，微控制器。 – 多次流片验证。 18 

19 .一些较有名的RISC-V处理器实现 • GRVI – Jan Gray针对FPGA高度优化的微处理器 – Verilog设计，250~320 LUT – 在一个FPGA上实现1240个处理器的互联。 – 商用授权，非开源。 • PicoRV32 – Clifford Wolf设计的可流片的微处理器小核 – Verilog设计，700~2000 LUT – >1GHz 主频，但是CPI在4~6之间。 • SHAKTI – 印度的国家处理器计划，选择RISC-V为国家指令集 – 从微处理到服务器级别的处理器设计 – Bluespec设计 19 

20 .CNRV • CNRV: RISC-V @ China – CNRV通过微信群、网站和公众号，与大部分国内RISC-V的使用者、参与者和爱 好者建立了联系，包括软件/IC/硬件开发者、爱好者、相关公司高管、高校研究 人员以及投资人等。 – 每两周通过网站和公众号发布《CNRV双周简报》，向中文读者介绍和总结RISC- V相关领域的最新进展，可理解为RISC-V大参考～ – CNRV网站搜集关于RISC-V的各种信息，为国内的RISC-V使用人员提供帮助。 • CNRV的主要成员 – 郭雄飞：景略半导体（上海）设计总监，RISC-V独立会员，CNRV微信群的管理 员，RISC-V双周简报编辑，国内最早接触和推广RISC-V的人。 – 黄柏玮：国立台湾大学咨询网路与多媒体研究所硕士，RISC-V独立会员，RISC- V调试小组和原比特操作小组成员，脸书RISC-V@Taiwan小组管理员。 – 宋威: 中科院信工所副研究员，原lowRISC工程硬件负责人， RISC-V双周简报编 辑。 20 

21 .CNRV的网站 • https://cnrv.io/ • RISC-V双周简报 • 资源列表 • RISC-V镜像服务 • 访问量： 每月访问次数~1100次 21 

22 .CNRV的资源列表 • https://cnrv.io/resource • 已经搜集了26个RISC-V处理器 设计。其中开源设计23个。 • 操作系统 • 开发工具 • 验证环境 • 文档 22 

23 .CNRV的微信群和双周简报 • 受500人人数上限限制，现在已经有3个子群，约1000人。 • 每天的活跃用户~100人，消息约500~2000条每天。 • 微信公众号的关注到~1100人，日增长~10人。 • 双周简报的阅读数量在~600人，已经有了21期。 23 

24 .RISC-V在中国的发展情况 • 大家都很关心，讨论热烈。 • 小公司已经启用，大公司蠢蠢欲动。 • 已有自己的能跑RISC-V的处理器 – 蜂鸟200系列（胡振波）https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource – 对标ARM Cortex-M0 • 6月30日，上海 RISC-V Day! – https://tmt.knect365.com/risc-v-day-shanghai/ – 16个主题演讲 24 

25 .Thank You! 25