RISC-V——针对SoC的一套开放标准

发表于 2016-12-01 更新于 2023-09-14 分类于翻译 Waline：

对于大多数计算设备来说Linux已经成为了标准的操作系统，伯克利的研究者希望RISC-V也能够像Linux一样成为所有计算设备的标准ISA

片上系统（systems-on-a-chip, SoCs)，集成了处理器和cache，如今已经被越来越广泛的运用到各个领域之中。因此有越来越多的公司加入到了芯片制造这个领域之中。鉴于业界已经通过开放标准和开源软件进行了革命——如TCP/IP和Linux。那么作为最重要的接口之一的指令系统（instruction set architecture，ISA）为什么不对所有人开放呢？

尽管指令系统由于历史或商业原因变得专利化了，但是从技术角度来看，必须要有免费的、开放的ISA。

这并不是一个遗漏的错误。一些拥有很成功ISA的公司，如ARM，IBM，Intel，MIPS都拥有针对他们自己的ISA的专利，而这使得我们这些没有license的学术机构和小公司根本无法使用这些ISA，除非付出巨额的费用。

而ARM的license甚至还不允许你设计自己的ARM核；而是只能使用其设计。目前世界上大约只有10家大公司才拥有修改其设计自己的ARM核的license。这就是商业，通过阻止别人进行设计改造从而扼杀了竞争和创新。

也不是因为公司做大部分的软件开发。虽然围绕这些流行ISA的软件生态系统有着非常高价值，但这几乎都是外人构建了所有的软件。

并不只有公司具备设计合格的ISA的能力。虽然设计ISA涉及到大量工作，但是今天有很多机构或公司有能力设计ISA。

最流行的ISA并不见得是完美的ISA。ARM和80x86不被视为完美的ISA。

也不是只有设计ISA的公司才能验证它们。很久以前，开放组织开发了可以确保与诸如浮点单元（IEEE 754），网络芯片和交换机（以太网）和I/O总线（PCIe）的硬件标准兼容的机制。如果没有这样的组织，开放的IT标准也不会那么受欢迎。

最后，专有ISA不能保证永远存活下去。如果一个公司倒闭了，它的ISA也会随之消亡。Digital Equipment公司的消亡导致Alpha和VAX ISA也一起终结了。注意，ISA实际上是一个接口规范，而不是实现。

其实有应该三种类型的ISA实现：
(1) 私有的闭源，如AppleiOS (2) 许可的开源，如Wind River VxWorks (3) 免费的开源，用户可以修改、共享，如Linux

拥有专利的ISA实际上允许前两种类型，但是我们还需要一种免费开放的ISA。

我们的结论是，业界将受益于可行的，免费开放的ISA，就像它从免费开放的软件栈中获益。例如，它将实现一个真正的，自由，开放的处理器设计市场，拥有专利的ISA阻止了这样一个市场的诞生。这样的市场会具有： - 更强大的创新能力: 通过源自更多设计师的自由市场竞争，包括开放ISA与专有的ISA的竞争。
- 共享的、开放的核心设计: 这意味着更短的上市时间，更低的成本（由于重复使用），更少的错误（因为有更多人的关注），比如这将使政府机构加入涉密后门更困难。
- 负担得起的处理器: 更多的设备能够负担得起处理器的费用，这将有助于扩大物联网，其目标成本可能只有1美元。

要想让开源社区拥抱如此的开源ISA，我们认为它需要一个可靠的商业记录。第一个问题是，哪种风格的ISA有成功的历史？

在30年来没有这样的成功的ISA。除了DSP市场的一部分，VLIW已经失败了：Multiflow也不行，Itanium破产了，尽管惠普和英特尔投资了数十亿美元。没有新的CISC ISA可以成功数十年。幸存的CISC从复杂的ISA转换为更容易执行的ISA，这对于制定有价值的遗留代码基础是非常有意义的。

一套新的ISA不会有任何遗留代码，所以额外的硬件成本和翻译的开销成本很难证明：为什么不是只使用易于执行的ISA在第一位？ RISC风格load-store ISA可以追溯到至少50年到Seymour Cray的CDC 6600.虽然80x86赢得了PC战争，RISC主导后PC时代的平板电脑和智能手机; 在2013年超过100亿基于ARM的SoC出货，相比之下，80x86芯片只有3亿。

鉴于ISA可以存活数十年，我们预测未来的技术景观，看看哪些功能对于基于RISC的免费开放ISA可能是重要的。三个平台可能占据主导地位：物联网，个人移动设备和仓库规模计算机（WSC）。这个蓝图式的建议有四个关键要求：
(1) 基本、扩展ISA: 为了匹配SoC的需求，同时保持稳定的软件基础，自由的，开放的ISA应该具有： - 编译器和操作系统可以依赖的一小组核心指令
- 标准且可扩展的ISA，可以为应用程序定制SoC
- 可调用特定应用程序加速器的全新操作码的空间
这符合当今SoC经常使用自定义应用程序特定加速器的做法。

紧凑指令集编码: 考虑到IoT的成本敏感性和对小容量存储器的期望，较小代码是可取的。
四精度（QP）以及单精度和双精度浮点: 在WSC中运行的一些应用程序处理这样的大数据集，这依靠软件库进行QP运算。
128位寻址以及32位和64位: 物联网上的节点的有限内存大小意味着32位寻址在未来几十年将是非常重要的，而64位寻址是更高要求的标准。尽管WSC行业不需要128位的运算，但是在十年内，WSC可能需要超过64位（16艾字节）来寻址所有的固态，非易失性存储器。

这些都是需要很多年才能确认是否正确的细节，所以似乎使用现有的ISA起步是更聪明的做法，而不是成立委员会，从头开始。 RISC ISAs都很相似，所以其中很多都可能是很好的选择。好消息是，已经有三个开源RISC ISA：SPARC，OpenRISC和RISC-V。

只有RISC-V满足上述所有四个要求（见下表）。 RISC-V也是10到20岁的年轻人，所以我们可以从以前的RISC ISA的错误中学习和修复——例如，SPARC和OpenRISC延迟分支——这就是为什么RISC-V是如此简单和干净。此外，SPARC（V9）的64位地址版本是专有的，而OpenRISC可能失去了动力。