基于RISC-V架构的开源处理器及SoC研究综述（一）

新ちゃん

RISC-V是加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley，以下简称UCB）设计并发布的一种开源指令集架构，其目标是成为指令集架构领域的Linux，应用覆盖IoT（Internet of Things）设备、桌面计算机、高性能计算机等众多领域。其产生是因为UCB的研究人员在研究指令集架构的过程中，发现当前指令集架构存在如下问题[1]。
   （1）绝大多数指令集架构都是受专利保护的，比如：x86、MIPS、Alpha，使用这些架构需要授权，限制了竞争的同时也扼制了创新。

   （2）当前的指令集架构都比较复杂，不适合学术研究，而且很多复杂性是因为一些糟糕的设计或者背负历史包袱所带来的。

  （3）当前的指令集架构都是针对某一领域的，比如：x86主要是面向服务器、ARM主要是面向移动终端，         为此对应的指令集架构针对该领域做了大量的领域特定优化，缺乏一个统一的架构可以适用多个领域。

   （4）商业的指令集架构容易受企业发展状况的影响，比如：Alpha架构就随着DEC公司的被收购而几近消失。

  （5）当前已有的各种指令集架构不便于针对特定的应用进行自定义扩展。

为此，UCB的研究人员Krste Asanovic、Andrew Waterman、Yunsup Lee决定设计一种新的指令级架构，并决定以BSD授权的方式开源，希望借此可以有更多创新的处理器产生、有更多的处理器开源，并以此降低电子产品成本[2]。

RISC-V自2014年正式发布以来，受到了包括谷歌、IBM、Oracle等在内的众多企业以及包括剑桥大学、苏黎世联邦理工大学、印度理工学院、中国科学院在内的众多知名学府与研究机构的关注和参与，围绕RISC-V的生态环境逐渐完善，并涌现了众多开源处理器及SoC采用RISC-V架构，这些处理器既有标量处理器，也有超标量处理器，既有单核处理器，也有多核处理器，本文接下来将简单介绍RISC-V架构的基本设计，随后将详细描述目前采用RISC-V架构的开源处理器与SoC。

1 RISC-V简介

1.1 RISC-V的基本设计

RISC-V是一个典型三操作数、加载-存储形式的RISC架构，包括三个基本指令集和6个扩展指令集，如表1所示，其中RV32E是RV32I的子集，不单独计算。

   基本指令集的名称后缀都是I，表示Integer，任何一款采用RISC-V架构的处理器都要实现一个基本指令集，根据需要，可以实现多种扩展指令集，例如：如果实现了RV32IM，表示实现了32位基本指令集和乘法除法扩展指令集。如果实现了RV32IMAFD，那么可以使用RV32G来表示，表示实现了通用标量处理器指令集。本文只介绍RV32I的基本情况。

   RV32I指令集有47条指令，能够满足现代操作系统运行的基本要求，47条指令按照功能可以分为如下几类。

   （1）整数运算指令：实现算术、逻辑、比较等运算。

   （2）分支转移指令：实现条件转移、无条件转移等运算，并且没有延迟槽。

   （3）加载存储指令：实现字节、半字、字的加载、存储操作，采用的都是寄存器相对寻址方式。

   （4）控制与状态寄存器访问指令：实现对系统控制与状态寄存器的原子读-写、原子读-修改、原子读-清零等操作。

   （5）系统调用指令：实现系统调用、调试等功能。

1.2 RISC-V的优势

1.2.1 与开源指令集架构比较

在RISC-V发布之前，实际上已经有几种开源指令级架构，包括SPARC V8、OpenRISC，其中SUN发布的开源多核多线程处理器OpenSparcT1、OpenSparcT2，以及欧空局的LEON3采用的就是SPARC V8，OpenRISC也有同名的开源处理器，在[2]中介绍了RISC-V与前两者的比较，如表2所示。此外，OpenRISC的许可证为GPL，这意味着所有的指令集改动都必须开源。而RISC-V的许可证是较为宽松的BSD License授权。

1.2.2 与商业指令集架构比较

   UCB的研究人员设计了一款采用RISC-V指令集架构的开源处理器Rocket，并且已经成功流片了11次，其中采用台积电40nm工艺时的性能与采用同样工艺的，都是标量处理器的ARM Cortex-A5的性能对比如表3所示。可见Rocket占用更小的面积，使用更小的功耗，但是性能却更优。

（未完待续）