RISC-V精简到何种程度？

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-05-31 10:25 115阅读 0赞

RISC-V作为最新设计的精简指令集计算机体系，那么其精简到什么程度呢？

mingdu.zheng **at** gmail *dot* com  
[http://blog.csdn.net/zoomdy/article/details/79343941][http_blog.csdn.net_zoomdy_article_details_79343941]

## 指令格式 ##

先来看看指令格式，这格式规律地一塌糊涂啊，看着这张图，我的强迫症瞬间消失了。有规律的指令编码不仅是让强迫症患者舒服，也让处理器很舒服，指令越有规律，解码器所要的gate越少，芯片面积越小，运行速度越快。  
![这里写图片描述][20180221205030986]

## 没有立即数减法？ ##

只有`addi`没有`subi`，减法怎么办？无论是数学上还是程序上，`x - y`都等价于`x + (-y)`，也就是说可以把减法变成加法的，把被减数转成负数然后再加上减数就实现了和减法一样的功能了。正是基于这个原理，RISC-V只提供立即数加法，没有提供立即数减法，如果需要立即数减法，那么就要麻烦编译器把这个立即数转化成负数，然后继续使用加法。这也是RISC-V将立即数作为有符号数处理的原因吧。

## x0简化指令集 ##

通过引入x0寄存器，很多特殊指令用普通的指令加上x0做操作数就给解决了。指令的数量大大降低，指令数降低了，这处理器的解码电路不就简化了嘛。有关x0寄存器的内容可以参考[《牵手RISC-V：x0寄存器》][RISC-V_x0]

## 32位常量 ##

之前用ARM的处理器，ARM都是将立即数表示不下的常量存到常量池，然后用PC相关的LDR指令加载到寄存器的。RISC-V的常量完全是用指令拼接的，不需要Load指令，要知道使用Load指令是需要额外的访问周期的。RISC-V单条指令可以表示12位的有符号常量，超过12位需要两条指令来合成。其中一条指令是`lui`，`lui`指令加载常量的高20位，低12位可以用`addi`指令加上去，当然了这个过程又要麻烦编译器仔细算一算立即数到底是什么了，因为`addi`指令执行的是有符号加法，其中的12位立即数是会先被符号扩展成32位的有符号数再参与计算的。ARM的常量加载需要8个字节，一条指令+一个常量；RISC-V的常量加载也是需要8个字节，两条指令。占用的程序空间是一样的。

## 只有小于和大于等于 ##

RISC-V的比较跳转指令只有`blt`和`bge`，即只有小于和大于等于。那大于和小于等于就不需要了吗？也是需要的，不过RISC-V用了个很巧妙的办法，将`blt`的两个参与比较的操作数位置换一下，就有了`bgt`，将`bge`的两个参与比较的操作数位置换一下，就有了`ble`。真是个好办法。用两条指令实现了四条指令的工作，其中两条是伪指令，实际的指令只有两条。

## 让编译器做更多 ##

我对RISC的理解就是：处理器尽量少做，让编译器尽量多做。这是非常有道理的，毕竟编译的次数远少于执行的次数啊。上面几个段落就提到不少要让编译器多做的工作，再例举个为了简化处理器的设计而让编译器多做的工作。  
![这里写图片描述][20180221210005158]  
B-type是比较跳转指令的格式，J-type是长跳转或函数调用指令格式，注意它们的立即数排列次序，我都有点同情编译器设计师了，这怎么搞啊？具体一点讲，填充这里的立即数的应该是链接器的工作。这么排放偏移地址立即数的目的还是为了简化处理器的设计，但明显给编译器增加了工作了。

## 其它省掉的指令 ##

还有很多常用的指令也被省掉了，比如`nop`、`move`、`not`、`neg`，当然不是说这些功能没有，所有这些功能都是有的，不过都是用其它的指令来等价实现的，比如`not`指令是用`xori rd, rs, -1`实现的。每看到这样的指令，我对Berkeley的大神都是佩服地五体投地。

## 总结 ##

能省的指令都省了。能让编译器做的都让编译器做了。绝对精简。

[http_blog.csdn.net_zoomdy_article_details_79343941]: http://blog.csdn.net/zoomdy/article/details/79343941
[20180221205030986]: /images/20220531/f66ce51eab1e4b2583698dec365812bf.png
[RISC-V_x0]: http://blog.csdn.net/zoomdy/article/details/79343785
[20180221210005158]: /images/20220531/cde8aab3cd40454c9cb1a8f155fae744.png