五分钟技术趣谈 | RISC-V——开放源代码芯片革命

Part 01

RISC-V的背景与发展

1.1 什么是指令集架构（ISA）

计算机系统的核心是处理器，它负责执行程序中的指令。为了能够让处理器理解并执行这些指令，需要有一套规范，这就是指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）。指令集架构主要规定了指令格式、寻址访存（寻址范围、寻址模式、寻址粒度、访存方式、地址对齐等）、数据类型、寄存器。指令集通常包括三大类主要指令类型：运算指令、分支指令和访存指令。此外，还包括架构相关指令、复杂操作指令和其他特殊用途指令^【1】。指令集可以理解为计算机系统中软件和硬件交互的规范标准，即软硬件沟通的“桥梁”。

图1 计算机系统的组成

1.2 RISC与CISC

在计算机历史的发展过程中，处理器设计出现了两种主要的指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。CISC指令集较为复杂，提供了丰富的指令，目的是减少程序员的编程工作量。然而，随着计算机科学的发展，人们发现这种复杂性会导致处理器的性能和能效下降。因此，RISC应运而生，它采用了一种更简单、更高效的设计理念，通过优化指令集，提高处理器的性能和能效。

表1 RISC和CISC架构的分类

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1.3 RISC-V的诞生

图2 David Patterson与John Hennessy和他们合著的《计算机体系架构：量化研究方法》图源ACM

20世纪80年代初，加州大学伯克利分校的David Patterson、斯坦福大学的John L. Hennessy等学者开始尝试对传统的CISC进行精简， RISC便由此诞生，信息技术史上浩浩荡荡的CISC与RISC之争拉开帷幕。

在21世纪初，开源运动在操作系统和应用软件领域取得了巨大成功（如Linux和Mozilla），软件上的成功进一步掀起了芯片领域的开源浪潮。这场芯片开源浪潮涵盖了各种类型的用户，包括开源组织OpenCores推出的OpenRISC，以及基于Sun提出的SPARC架构衍生而来的LEON和OpenSPARC等项目。这些开源芯片项目为用户提供了无限的可能性，为芯片设计带来了崭新的前景。

时间来到2010年，当时加州大学伯克利分校的科研团队正在为一个新项目做准备，在调研了x86，ARM等现有指令集后，得出主流指令集存在知识产权限制、指令集架构复杂的结论，于是该团队从零开始，设计了一套全新的指令集。就在这样的背景下，RISC-V（即第五代精简指令集计算机）作为开源芯片的代表，正式诞生了。