RISC-V架构能否引领物联网时代？

 

不看这几篇好文，就别说自己了解物联网

 

1、RISC-V架构异军突起

CPU是计算机系统（包含PC、手机与各种智能设备等）的核心，而处理器架构是 CPU 的基石。纵观CPU架构发展历史，技术、生态、产业共同影的一个架构成败。

强如巅峰Intel也能在最初的64位之争中败在IA-64上，弱如Acorn公司（ARM前身）也能赶上嵌入式设备爆发的大潮，依靠低成本、低功耗的技术特点得以生存，最终发展建立起每年出货200多亿片的ARM帝国。

 

在依靠各大厂商支持的处理器架构之外，还存在一类从学校或者研究机构走出来的学院派开源处理器，它们中的先驱包含SPARC等大多已销声匿迹。直到最近几年的RISC-V，结合了各家RSIC架构前辈所长，又赶上了业界对开源硬件的期盼，才使得开源这个词在处理器架构方面有了巨大的声量。

 

RISC-V具有架构永久开源、指令集精简且高效、CPU微架构模块化、架构扩展性强等若干特征，这些特性完全契合物联网领域设备多元化、碎片化的场景。

因此RISC-V有能力提供更高性价比、更贴合具体应用的各种类型的CPU，有望成为未来物联网市场的首选。

本文结合各种行业趋势，深入阐述RSIC-V的技术特点，分析RISC-V在物联网行业的前景。

2、RISC-V技术特色

2.1、历史与影响

CPU架构指的是用于定义同一系列CPU产品的技术规范，规范包含指令集、内存模型、异常体系等CPU对软件体现的方方面面，是区分不同类型CPU的重要标示。CPU架构分成两大技术阵营，一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU（即CISC），另一个是以ARM、MIPS、RISC-V等为首的精简指令集CPU（即RISC）。目前市面上ARM架构和英特尔x86架构分别在移动端和桌面端占据了绝大部分市场份额。技术之外，ARM架构的收费授权模式与x86架构的封闭授权模式也成了鲜明的对比。但无论IP收费还是IP封闭都存在较高的门槛，这使得越来越多的芯片研发企业转向了开源架构RISC-V，其开源性和易用性为芯片市场打开了另一扇大门。

 

RISC-V 指令集是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，该项目在 2010 年始于加州大学伯克利分校。当时，创始者 Krste  Asanovic 教授需要使用一个微处理器指令集，然而 Intel 的 X86 架构指令集存在专利问题，ARM 架构指令集的授权又十分昂贵。在此背景之下，该研究团队决定从零开始设计一套全新的指令集，  RISC-V 就此诞生。这里的“V”包含两层意思，一是这是伯克利从 RISC I 开始设计的第五代指令集架构，二是它代表了变化(variation)和向量(vectors)。在此之前，伯克利研究团队已研制了四代精简指令处理器芯片，第一代处理器 RISC I 是于 1980 年在伯克利 Dave Patterson 教授主导的 Berkeley RISC 项目中设计而成，也是 RISC 名称的由来。

获巨头产业联盟支持，RISC-V 产业生态正进入快速发展期。2015 年，RISC-V 基金会成立，旨在聚合全球创新力量共同构建开放、合作的软硬件社区，打造 RISC-V 生态系统，推动RISC-V 指令集被更大范围的采用以及未来指令集体系结构的进一步演进。自 2015 年成立至今，RISC-V 基金会已拥有超过 327 家成员，成员中涵盖了半导体设计制造公司、系统集成商、设备制造商、军工企业、科研机构、高校等各类组织。其中，白金会员包括谷歌、微芯科技、美光、英伟达、恩智浦、高通、三星、西部数据等全球知名科技、半导体企业，金、银和审计员队列中亦有台积电、英飞凌、意法半导体、联发科等一众知名半导体企业。如今，RISC-V 已获得多家半导体巨头的支持，拥有大量开源实现和流片案例，覆盖从高性能计算到嵌入式等多种应用领域。并且，除了企业、机构等单位之外，多个国家亦对 RISC-V 做出了战略规划与部署。 下图可以看到RISC-V基金会为数众多的伙伴们。

 

2.2、架构特色

下面列出一些RISC-V的架构特色，这些特色或来源于其他RISC架构的优秀实践，或来自于RISC-V自身的创造性设计。用RISC-V设计者David Patterson的话说就是——“ 在过去 40 年的指令集的基础上取其精华，去其糟粕”。

 

2.2.1、指令集

RISC-V 指令使用模块化的设计，包括几个可以互相替换的基本指令集，以及额外可以选择的扩展指令集。基本指令集规范了指令跟他们的编码，控制流程，寄存器数目（以及它们的长度），存储器跟寻址方式，逻辑（整数）运算以及其他。只要有软件以及一个通用的编译器的支持，只用基本指令集就可以用来制作一个简单的通用型的电脑。

标准的扩展指令集可以搭配所有的基本指令集，以及其他扩展指令集，而不会冲突。很多RISC-V 电脑可能使用精简扩展指令集来降低电力消耗，程序的大小以及存储器的使用。

 

2.2.2、寄存器集

RISC-V 有 32 个整数寄存器 (在嵌入式版本则是 16 个)。当浮点延伸集被实现的时候，还有 32 个浮点寄存器。除了“存储器访问指令”之外，一般指令“只能”寻址寄存器。

RISC-V 的通用寄存器中包含一个“零寄存器”（其值写入无效、读为零）。使用零寄存器可以让指令集设计更简单，减少硬件的指令形式。比方说，把“寄存器 X 复制到寄存器 Y” (MOV Y, X)，可以使用“将寄存器 X 与 0 相加后，复制到寄存器 Y” (ADD Y, X, r0) 实现。

RISC-V 有提供“控制寄存器”及“状态寄存器”，但是 user-mode 程序只能访问用来“量测性能”及“浮点管理”的部分。

RISC-V 并没有指令可以存储和恢复多个寄存器。这些设计在 RISC-V 当中，被认为是不必要的，过于复杂的，可能过慢的设计（核心原因是这种设计会增加流水线的复杂度）。

 

2.2.3、存储器访问

RISC-V 只有 load 与 store 指令可以访问存储器。Load 与 Store 支持的数据长度从 8-bit 到架构的位宽（比如32bit或64bit）。访问并不需要对齐，不过如果有对齐的话可以增加性能。

Load 和 Store 指令可以直接访问常量、堆栈中的本地变量或是数据结构中的内容。寻址的方式是使用基底寄存器与 12-bit 的 signed 相对地址 (+- 2KB)。

内存顺序方面（Memory Order）RISC-V 不保证访问的顺序 --- 除非有像 FENCE 这样的指令出现。这意味着底层软件人员编写多核相关代码时需要十分小心。

RISC-V 固定是 little-endian。这稍稍降低了硬件的复杂度与成本，因为所有位宽的数据读取，都遵循一样的顺序。举例来说，RISC-V 的指令集都是从最低的那个 byte 开始解码（所有RISC-V指令的编码格式都将opcode放在了最低7个bit，因此硬件取指时总是先获取到opcode，方便流水线设计）。

 

2.2.4、立即数

RISC-V 读取 32-bit 常量与地址是透过设置 upper 20-bit 的指令达到的。LUI 指令 (Load Upper Immediate) 把（指令中的）20-bit 读取到寄存器的 31~12 bits 当中。与LUI搭配一条包含 12-bit 位移的 Load 与 Store 指令或是ADDI指令，便可以完成一个32bit立即数的获取。

 

另一个 AUIPC 指令，读取 upper 20-bit并加上 PC (Program Counter) ，之后存放到指定寄存器。同样搭配ADDI指令，可以方便的让 PIC 程序（Position-Independent Code）能够支持“相对于代码位置的 32-bit 地址”。

 

在 64-bit 架构下，LUI 与 AUIPC 运行的结果会被比特扩展至 64-bit (sign-extent)。

有些高速的 CPU 会把一些指令“融合”成一个指令。比如说：上述的 LUI 与 AUIPC 就很适合和 Load/Save 指令一起融合。

 

2.2.5、函数调用

RISC-V 的函数调用 JAL (Jump and Link) 把回传地址放在一个寄存器当中。它省下了一次访问推叠存储器，所以对性能友好。JAL 伴随一个 20-bit signed 位移。这个位移会被乘上 2 之后，加到 PC 当中。如果没有对齐到 32-bit 地址，CPU 会触发一个例外。

RISC-V 的 JALR (Jump and Link Register) 指令和 JAL 很像，但是他是把一个 12-bit 的相对位移，和某一个寄存器相加。（而 JAL 是用 20-bit 相加）

JALR 的指令格式有点像使用寄存器的 load/store 指令。搭配另一个设置高 20-bit 的基底寄存器，可以组成一个 32-bit 的地址（可以是绝对地址，例如 LUI; 或是相对于 PC 的地址，例如 AUIPC）。（使用零寄存器当基底寄存器，则是可以跳到 0 +- 2KB 的绝对地址）

 

2.2.6、分支预测

RISC-V 要求 CPU 实现“默认分支预测” (default branch prediction)。如果是往回跳跃 (例如： do {...} while (expr) 中的 expr 判断式），CPU 要预测跳跃会发生，也就是预测 expr “会”成立。如果是向前跳跃（例如：if (expr) {...} else {...} 中的 else 部分），CPU 预测这个跳跃会发生，也就是预测 expr “不会”成立。CPU 判断往回或向前的方法，是看指令中相对地址的最高比特，也就是有号数的部分 (signed bit)：如果是 1，表示是负数，要往回跳跃。如果是 0，表示是正数，要向前跳跃。当然，复杂的 CPU 实现也可以加入更多的分支预测。

 

2.2.7、运算与逻辑

RISC-V 把数学运算指令归类到一个很小的 I 子集当中，包括：加法，减法，位移，位操作，及比较跳跃。这些可以使用软件的方式去模拟其他大部分的 RISC-V 指令（atomic 运算是值得一提的例外）。RISC-V 目前没有“数开头有几个零”以及一些用来加速软件浮点运算的位操作。

整数乘法子集（M 子集）包括：有号数与无号数的乘法与除法。浮点子集包括单精度运算，以及类似于整数的“比较跳跃”。

 

2.2.8、原子内存操作

RISC-V 支持多个 CPU 与 thread。其标准存储器同步模式是“释放一致”原则。也就是说，读取和写入顺序可以重排，但是有些读取可以被设置成“获取”运算，会在其后的访问之前被运行，有些写入可以被当作“释放”运算，必须在其之前的访问的后面运行。

基本指令当中包含了最少的支持，使用 fence 指令来保证存储器访问顺序。尽管这很简单（fence r/rw 提供“获取”，fence rw/w 提供“释放”），组合起来还是可以很有效率。

 

3、RISC-V架构在物联网领域有哪些优势？

3.1、技术层面

结合物联网碎片化的特点，会发现RISC-V的很多设计思想十分贴合物联网灵活的需求。下面展开说明为什么说RSIC-V是非常适合物联网的CPU架构。

 

3.1.1、成本与简洁性

从前文的"架构特色"章节中可以看到大量的简洁化设计，比如没有复杂的多寄存器读写指令、合理的12+20bit立即数设计、去除条件执行指令、数学运算归类到极小集等等。这些简化设计最终体现在芯片生产过程中，缩小了实现 RISC-V架构处理器的尺寸，进而压缩了成本。即使晶粒的大小只缩小 10%，成本也将以 1.2（1.1 2）倍的比例缩小。

 

鉴于成本对于复杂度的敏感性，RISC-V间接性带来更小的芯片面积之外，还能缩短芯片的设计和验证时间，而它们可能构成了芯片开发的大部分成本。这些成本必须算到芯片的成本当中。简洁性还能降低文档成本，让客户更容易了解如何使用RISC-V架构。

 

3.1.2、性能

评估一个CPU架构的性能，需要看做同样的事需要多少条指令以及CPU的频率。即使一个简单的CPU架构可能在每个程序执行的指令数方面多于复杂的CPU架构，但它可以通过 更快的时钟频率或更低的平均单条指令周期数（CPI）来弥补。

 

RISC-V从一开始就考虑到方便硬件实现更加高效的流水线，同时指令集的选择也更加高效。举例说明，运行 CoreMark 测试程序[Gal-On, Levy 2012]（100000 次迭代）后，得到 ARM-32  Cortex-A9 的性能为18.15秒，相对应RISC-V的芯片则为14.26秒。

 

体现RISC-V性能优势的另一点是其支持32个通用寄存器，ARM-32 有 16 个寄存器，而 x86-32 只有 8 个。CPU架构领域寄存器可以被理解为第0级Cache，有了更多的寄存器可供选择，编译器编译出的指令会较少很多内存操作。

 

综合性能与成本可以发现，简洁如RISC-V这样的架构能催生出更小的芯片，使其具备很高的性价比。

 

3.1.3、可扩展性

随着摩尔定律（Moore’s law）的终结，对CPU性能进行重大改进的唯一途径是为特 定领域（例如深度学习，增强现实，组合优化，图形等）添加自定义指令。而RISC-V架构原生保留了大量的操作码空间，为厂商实现自定义的指令集留出了空间。

 

与之相对，ARM或者X86由于历史悠久，都需要兼容大量的历史遗留指令，导致指令码空间是否有限。x86由于指令长度可变，所以增加了很多很长的指令，为处理器的指令解析、cache、分支预测等带来沉重的负担。而ARM采用了同一个架构支持多个指令模式的做法（Thumb、Thumb-2、ARM），带来架构设计的复杂性。

 

3.1.4、程序体积

嵌入式领域，程序大小直接影响存储空间的消耗进而严重影响成本。此外更小的程序还能减少指令缓存的未命中问题，从而节省了功耗（因为片外 DRAM 访问比片上 SRAM 访问耗能更多），也提高了性能。

物联网领域，设备对于成本与功耗都是非常敏感。因此CPU架构的代码长度是一个关键指标。在这方面RISC-V表现的十分优异。下图展现了RV32G，ARM-32，x86-32，RV32C和Thumb-2程序的相对大小。最后两个ISA是以短代码长度为 目标的。这些程序是使用GCC编译器的SPEC CPU2006基准测试。

可以看到：

• Thumb2对比ARM节省1/3空间。16/32位的RISC-V与16/32位混合的Thumb2指令基本持平（由于RISC-V不存在模式切换、多数据存取等复杂性设计，能够持平已经是表现很出色了）
• X86在指令密度上并没什么优势。虽然其使用了变长指令，但历史包袱导致其指令编码十分不合理，浪费了变长的优势。 （理论上变长指令集更适合缩短程序体积）

 

3.2、产业层面

跳出纯技术分析，会发现RISC-V的一些特性也非常适合物联网领域：

• 开源——随着国际贸易摩擦的加剧，自主可控的重要性不断凸显，RISC-V 开源免费，优势显著。
• 中立——RISC-V 已获得众多企业支持，而中国企业则是 RISC-V 指令集阵营的中坚力量。下图可以看到，RISC-V最核心的白金会员中，已经有不少中国企业的身影。
• 模块化——通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景，覆盖物联网设备的多样性。

 

4、总结

尽管RSIC-V设计之初并非只针对物联网与嵌入式领域，但其轻量化、模块化、可扩展性、开源、高能耗比等技术特点都十分契合蓬勃发展的物联网行业需求。

如果能克服尚不够成熟的生态与芯片本身碎片化的风险（需要强力的基金会组织），依托产业联盟，构建完善生态，RISC-V 将会大有可为。

如今复杂形势使未来我国芯片的研发制造仍然存在变数。RISC-V有希望在未来的CPU市场发挥重大的作用，中国的新一代信息技术、设计公司向RISC-V的转型，在大数据、5G、物联网、VR、边缘计算等领域应用RISC-V，或许可以使基于RISC-V的CPU在世界范围内成为主流。

 

引用

《NVIDIA收购ARM受抵制？RISC-V将崛起？》

《物联网下新生态，RISC-V 大有可为》

《RISC-V 手册》