本文为《RISC-V CPU设计》专栏和《RISC-V嵌入式软件开发》专栏系列文章之一。
注：本文节选自“硅农亚历山大”所著国内第一本系统介绍CPU与RISC-V设计的中文书籍《手把手教你设计CPU：RISC-V处理器篇》（预计将于2018年3~4月上市）。
原文出处：大道至简——RISC-V架构之魂（中）
“大道至简——RISC-V架构之魂”——分成上中下三篇，本文是中篇。关注文末公众号后可查询上中下三篇的内容。
本文上接《大道至简——RISC-V架构之魂（上）》
在流水线中能够尽早尽快的读取通用寄存器组，往往是处理器流水线设计的期望之一，这样可以提高处理器性能和优化时序。这个看似简单的道理在很多现存的商用RISC架构中都难以实现，因为经过多年反复修改不断添加新指令后，其指令编码中的寄存器索引位置变得非常的凌乱，给译码器造成了负担。
得益于后发优势和总结了多年来处理器发展的教训，RISC-V的指令集编码非常的规整，指令所需的通用寄存器的索引（Index）都被放在固定的位置，如图2所示。因此指令译码器（Instruction Decoder）可以非常便捷的译码出寄存器索引然后读取通用寄存器组（Register File，Regfile）。
图2 RV32I规整的指令编码格式
与所有的RISC处理器架构一样，RISC-V架构使用专用的存储器读（Load）指令和存储器写（Store）指令访问存储器（Memory），其他的普通指令无法访问存储器，这种架构是RISC架构的常用的一个基本策略，这种策略使得处理器核的硬件设计变得简单。
存储器访问的基本单位是字节（Byte）。RISC-V的存储器读和存储器写指令支持一个字节（8位），半字（16位），单字（32位）为单位的存储器读写操作，如果是64位架构还可以支持一个双字（64位）为单位的存储器读写操作。
RISC-V架构的存储器访问指令还有如下显著特点：
为了提高存储器读写的性能，RISC-V架构推荐使用地址对齐的存储器读写操作，但是地址非对齐的存储器操作RISC-V架构也支持，处理器可以选择用硬件来支持，也可以选择用软件来支持。
由于现在的主流应用是小端格式（Little-Endian），RISC-V架构仅支持小端格式。有关小端格式和大端格式的定义和区别，本文在此不做过多介绍，若对此不甚了解的初学者可以自行查阅学习。
很多的RISC处理器都支持地址自增或者自减模式，这种自增或者自减的模式虽然能够提高处理器访问连续存储器地址区间的性能，但是也增加了设计处理器的难度。RISC-V架构的存储器读和存储器写指令不支持地址自增自减的模式。
RISC-V架构采用松散存储器模型（Relaxed Memory Model），松散存储器模型对于访问不同地址的存储器读写指令的执行顺序不作要求，除非使用明确的存储器屏障（Fence）指令加以屏蔽。
这些选择都清楚地反映了RISC-V架构力图简化基本指令集，从而简化硬件设计的哲学。RISC-V架构如此定义非常合理，能够达到能屈能伸的效果。譬如：对于低功耗的简单CPU，可以使用非常简单的硬件电路即可完成设计；而对于追求高性能的超标量处理器则可以通过复杂设计的动态硬件调度能力来提高性能。
RISC-V架构有两条无条件跳转指令（Unconditional Jump），jal与jalr指令。跳转链接（Jump and Link）指令jal可用于进行子程序调用，同时将子程序返回地址存在链接寄存器（Link Register：由某一个通用整数寄存器担任）中。跳转链接寄存器（Jump and Link-Register）指令jalr指令能够用于子程序返回指令，通过将jal指令（跳转进入子程序）保存的链接寄存器用于jalr指令的基地址寄存器，则可以从子程序返回。
RISC-V架构有6条带条件跳转指令（Conditional Branch），这种带条件的跳转指令跟普通的运算指令一样直接使用2个整数操作数，然后对其进行比较，如果比较的条件满足时，则进行跳转。因此，此类指令将比较与跳转两个操作放到了一条指令里完成。
作为比较，很多的其他RISC架构的处理器需要使用两条独立的指令。第一条指令先使用比较指令，比较的结果被保存到状态寄存器之中；第二条指令使用跳转指令，判断前一条指令保存在状态寄存器当中的比较结果为真时则进行跳转。相比而言RISC-V的这种带条件跳转指令不仅减少了指令的条数，同时硬件设计上更加简单。
对于没有配备硬件分支预测器的低端CPU，为了保证其性能，RISC-V的架构明确要求其采用默认的静态分支预测机制，即：如果是向后跳转的条件跳转指令，则预测为“跳”；如果是向前跳转的条件跳转指令，则预测为“不跳”，并且RISC-V架构要求编译器也按照这种默认的静态分支预测机制来编译生成汇编代码，从而让低端的CPU也能得到不错的性能。
为了使硬件设计尽量简单，RISC-V架构特地定义了所有的带条件跳转指令跳转目标的偏移量（相对于当前指令的地址）都是有符号数，并且其符号位被编码在固定的位置。因此，这种静态预测机制在硬件上非常容易实现，硬件译码器可以轻松的找到这个固定的位置，并判断其是0还是1来判断其是正数还是负数，如果是负数则表示跳转的目标地址为当前地址减去偏移量，也就是向后跳转，则预测为“跳”。当然对于配备有硬件分支预测器的高端CPU，则可以采用高级的动态分支预测机制来保证性能。
为了理解此节，需先对一般RISC架构中程序调用子函数的过程予以介绍，其过程如下：
进入子函数之后需要用存储器写（Store）指令来将当前的上下文（通用寄存器等的值）保存到系统存储器的堆栈区内，这个过程通常称为“保存现场”。
在退出子程序之时，需要用存储器读（Load）指令来将之前保存的上下文（通用寄存器等的值）从系统存储器的堆栈区读出来，这个过程通常称为“恢复现场”。
“保存现场”和“恢复现场”的过程通常由编译器编译生成的指令来完成，使用高层语言（譬如C或者C++）开发的开发者对此可以不用太关心。高层语言的程序中直接写上一个子函数调用即可，但是这个底层发生的“保存现场”和“恢复现场”的过程却是实实在在地发生着（可以从编译出的汇编语言里面看到那些“保存现场”和“恢复现场”的汇编指令），并且还需要消耗若干的CPU执行时间。
为了加速这个“保存现场”和“恢复现场”的过程，有的RISC架构发明了一次写多个寄存器到存储器中（Store Multiple），或者一次从存储器中读多个寄存器出来（Load Multiple）的指令，此类指令的好处是一条指令就可以完成很多事情，从而减少汇编指令的代码量，节省代码的空间大小。但是此种“Load Multiple”和“Store Multiple”的弊端是会让CPU的硬件设计变得复杂，增加硬件的开销，也可能损伤时序使得CPU的主频无法提高，笔者在曾经设计此类处理器时便深受其苦。
RISC-V架构则放弃使用这种“Load Multiple”和“Store Multiple”指令。并解释，如果有的场合比较介意这种“保存现场”和“恢复现场”的指令条数，那么可以使用公用的程序库（专门用于保存和恢复现场）来进行，这样就可以省掉在每个子函数调用的过程中都放置数目不等的“保存现场”和“恢复现场”的指令。
此选择再次印证了RISC-V追求硬件简单的哲学，因为放弃“Load Multiple”和“Store Multiple”指令可以大幅简化CPU的硬件设计，对于低功耗小面积的CPU可以选择非常简单的电路进行实现，而高性能超标量处理器由于硬件动态调度能力很强，可以有强大的分支预测电路保证CPU能够快速的跳转执行，从而可以选择使用公用的程序库（专门用于保存和恢复现场）的方式减少代码量，但是同时达到高性能。
很多早期的RISC架构发明了带条件码的指令，譬如在指令编码的头几位表示的是条件码（Conditional Code），只有该条件码对应的条件为真时，该指令才被真正执行。
这种将条件码编码到指令中的形式可以使得编译器将短小的循环编译成带条件码的指令，而不用编译成分支跳转指令。这样便减少了分支跳转的出现，一方面减少了指令的数目；另一方面也避免了分支跳转带来的性能损失。然而，这种“条件码”指令的弊端同样会使得CPU的硬件设计变得复杂，增加硬件的开销，也可能损伤时序使得CPU的主频无法提高，笔者在曾经设计此类处理器时便深受其苦。
RISC-V架构则放弃使用这种带“条件码”指令的方式，对于任何的条件判断都使用普通的带条件分支跳转指令。此选择再次印证了RISC-V追求硬件简单的哲学，因为放弃带“条件码”指令的方式可以大幅简化CPU的硬件设计，对于低功耗小面积的CPU可以选择非常简单的电路进行实现，而高性能超标量处理器由于硬件动态调度能力很强，可以有强大的分支预测电路保证CPU能够快速的跳转执行达到高性能。
很多早期的RISC架构均使用了“分支延迟槽（Delay Slot）”，最具有代表性的便是MIPS架构，在很多经典的计算机体系结构教材中，均使用MIPS对分支延迟槽进行过介绍。分支延迟槽就是指在每一条分支指令后面紧跟的一条或者若干条指令不受分支跳转的影响，不管分支是否跳转，这后面的几条指令都一定会被执行。
早期的RISC架构很多采用了分支延迟槽诞生的原因主要是因为当时的处理器流水线比较简单，没有使用高级的硬件动态分支预测器，所以使用分支延迟槽能够取得可观的性能效果。然而，这种分支延迟槽使得CPU的硬件设计变得极为的别扭，CPU设计人员对此往往苦不堪言。
RISC-V架构则放弃了分支延迟槽，再次印证了RISC-V力图简化硬件的哲学，因为现代的高性能处理器的分支预测算法精度已经非常高，可以有强大的分支预测电路保证CPU能够准确的预测跳转执行达到高性能。而对于低功耗小面积的CPU，由于无需支持分支延迟槽，硬件得到极大简化，也能进一步减少功耗和提高时序。
很多RISC架构还支持零开销硬件循环（Zero Overhead Hardware Loop）指令，其思想是通过硬件的直接参与，通过设置某些循环次数寄存器（Loop Count），然后可以让程序自动地进行循环，每一次循环则Loop Count自动减1，这样持续循环直到Loop Count的值变成0，则退出循环。
之所以提出发明这种硬件协助的零开销循环是因为在软件代码中的for 循环（for i=0; i<N; i++）极为常见，而这种软件代码通过编译器编译之后，往往会编译成若干条加法指令和条件分支跳转指令，从而达到循环的效果。一方面这些加法和条件跳转指令占据了指令的条数；另外一方面条件分支跳转如存在着分支预测的性能问题。而硬件协助的零开销循环，则将这些工作由硬件直接完成，省掉了这些加法和条件跳转指令，减少了指令条数且提高了性能。
然有得必有失，此类零开销硬件循环指令大幅地增加了硬件设计的复杂度。因此，零开销循环指令与RISC-V架构简化硬件的哲学是完全相反的，在RISC-V架构中自然没有使用此类零开销硬件循环指令。
在本章第2.1节中曾经提到RISC-V架构使用模块化的方式组织不同的指令子集，最基本的整数指令子集（I字母表示）支持的运算包括加法、减法、移位、按位逻辑操作和比较操作。这些基本的运算操作能够通过组合或者函数库的方式完成更多的复杂操作（譬如乘除法和浮点操作），从而能够完成大多数的软件操作。
整数乘除法指令子集（M字母表示）支持的运算包括，有符号或者无符号的乘法和除法操作。乘法操作能够支持两个32位的整数相乘得到一个64位的结果；除法操作能够支持两个32位的整数相除得到一个32位的商与32位的余数。
单精度浮点指令子集（F字母表示）与双精度浮点指令子集（D字母表示）支持的运算包括浮点加减法，乘除法，乘累加，开平方根和比较等操作，同时提供整数与浮点，单精度与双精度浮点彼此之间的格式转换操作。
很多RISC架构的处理器在运算指令产生错误之时，譬如上溢（Overflow）、下溢（Underflow）、非规格化浮点数（Subnormal）和除零（Divide by Zero），都会产生软件异常。RISC-V架构的一个特殊之处是对任何的运算指令错误（包括整数与浮点指令）均不产生异常，而是产生某个特殊的默认值，同时，设置某些状态寄存器的状态位。RISC-V架构推荐软件通过其他方法来找到这些错误。再次清楚地反映了RISC-V架构力图简化基本的指令集，从而简化硬件设计的哲学。
基本的RISC-V基本整数指令子集（字母I表示 ）规定的指令长度均为等长的32位，这种等长指令定义使得仅支持整数指令子集的基本RISC-V CPU非常容易设计。但是等长的32位编码指令也会造成代码体积（Code Size）相对较大的问题。
为了满足某些对于代码体积要求较高的场景（譬如嵌入式领域），RISC-V定义了一种可选的压缩（Compressed）指令子集，由字母C表示，也可以由RVC表示。RISC-V具有后发优势，从一开始便规划了压缩指令，预留了足够的编码空间，16位长指令与普通的32位长指令可以无缝自由地交织在一起，处理器也没有定义额外的状态。
RISC-V压缩指令的另外一个特别之处是，16位指令的压缩策略是将一部分普通最常用的的32位指令中的信息进行压缩重排得到（譬如假设一条指令使用了两个同样的操作数索引，则可以省去其中一个索引的编码空间），因此每一条16位长的指令都能一一找到其对应的原始32位指令。因此，程序编译成为压缩指令仅在汇编器阶段就可以完成，极大的简化了编译器工具链的负担。
RISC-V架构的研究者进行了详细的代码体积分析，如图3所示，通过分析结果可以看出，RV32C的代码体积相比RV32的代码体积减少了百分之四十，并且与ARM，MIPS和x86等架构相比都有不错的表现。
图3 各指令集架构的代码密度比较（数据越小越好）
“大道至简——RISC-V架构之魂”——分成上中下三篇，本文是中篇。关注文末公众号后可查询上中下三篇的内容。
本文上接《大道至简——RISC-V架构之魂（上）》
（未完待续：请参见《大道至简——RISC-V架构之魂（下）》）
感兴趣的读者可以通过下面二维码关注公众号“硅农亚历山大”，了解Verilog、IC设计、CPU、RISC-V和人工智能AI相关的更多设计技巧和经验分享，注意：由于干货太多，请自备茶水。
