RISC-V指令集架构研究综述-刘畅，武延军，吴敬征，赵琛.pdf

上善若水

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2022-05-26

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2021,32(12):3992−4024 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.006490] http://www.jos.org.cn

RISC-V 指令集架构研究综述

∗

刘

畅

1,2

武延军

1,3

吴敬征

1,3

赵

琛

1,3

(中国科学院软件研究所智能软件研究中心,北京 100190)

(中国科学院大学,北京 100190)

(计算机科学国家重点实验室(中国科学院软件研究所),北京 100190)

通讯作者: 武延军, E-mail: yanjun@iscas.ac.cn

摘要: 指令集作为软硬件之间的接口规范,是信息技术生态的起始原点.RISC-V 是计算机体系结构走向开放的

必然产物,其出现为系统研究领域带来了新的思路,即系统软件问题的研究深度可以进一步向下延伸至指令集架构,

从而拓展甚至颠覆软件领域的“全栈”概念.对近年来 RISC-V 指令集架构相关的研究成果进行了综述.首先介绍了

RISC-V 指令集的发展现状,指出开展 RISC-V 研究应重点关注的指令集范围.然后分析了 RISC-V 处理器设计要点

和适用范围.同时,围绕 RISC-V 系统设计问题,从指令集、功能实现、性能提升、安全策略这 4 个方面,论述了

RISC-V 处理器基本的研究思路,并分析了近年来的研究成果.最后借助具体的研究案例,阐述了 RISC-V 在领域应用

的价值,并展望了 RISC-V 架构后续研究的可能切入点和未来发展方向.

关键词: RISC-V;架构设计;处理器;性能优化;系统安全

中图法分类号: TP316

中文引用格式: 刘畅,武延军,吴敬征,赵琛.RISC-V 指令集架构研究综述.软件学报,2021,32(12):3992−4024. http://www.jos.

org.cn/1000-9825/6490.htm

英文引用格式: Liu C, Wu YJ, Wu JZ, Zhao C. Survey on RISC-V system architecture research (in Chinese). 2021,32(12):

3992−4024. http://www.jos.org.cn/1000-9825/6490.htm

Survey on RISC-V System Architecture Research

LIU Chang

1,2

, WU Yan-Jun

1,3

, WU Jing-Zheng

1,3

, ZHAO Chen

1,3

(Intelligent Software Research Center, Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

(State Key Laboratory of Computer Science (Institute of Software, Chinese Academy of Sciences), Beijing 100190, China)

Abstra ct : ISA (instruction set architecture) is the interface specification between software and hardware, which is also the origin point

of an information technology ecosystem. RISC-V is the inevitable product of computer architecture gradually moving towards openness.

It brings a new paradigm for system research, i.e. software research issues can be tracked down to ISA, which expands or even subverts

the traditional full-stack design theory on the system function, performance, security and other issues, showing a promising development

prospect. This paper reviews the research results of RISC-V architecture in recent years. Firstly, the development status of RISC-V

instruction set is introduced, and the scope of instruction set that should be paid attention to in RISC-V research is pointed out. Then, the

current RISC-V CPU platforms, particularly RISC-V processors are analyzed, and the design points and application scope are summarized.

Then, focusing on the design of RISC-V CPU, this paper discusses four fundamental research topics: instruction set, function

implementation, performance improvement and security strategy, and reviews some research results in recent years. Finally, with the help

of some specific cases, this paper expounds the role of risc-v in specific domains, analyzes the possible future directions of RISC-V

research.

∗ 基金项目: 中国科学院先导专项(XDC05040000)

Foundation item: Strategic Priority Research Program of CAS (XDC05040000)

收稿时间: 2021-06-28; 修改时间: 2021-08-22, 2021-09-28; 采用时间: 2021-11-01

刘畅等:RISC-V 指令集架构研究综述

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Key words: RISC-V; architecture design; processor; performance improvement; system security

1 前言

现代信息系统的设计正在出现几个新的趋势:(1) 注重软硬件协同的设计模式.例如,英伟达公司推出

CUDA 通用并行计算架构

[1]

,发挥 GPU 的计算能力提升系统性能;Costan 等人

[2]

提出了硬件扩展 Sanctum,协助

软件系统实现强隔离功能.(2) 面向需求的系统精准定制化.例如,近年来出现的 AI 加速芯片,通过芯片架构的定

制,满足神经网络推理或训练的算力需求

[3]

.在这样的趋势下,探究系统软硬件的多种组合方式,设计出最合适应

用场景的系统架构,具有较高的理论价值和实践意义.与此同时,为了适应计算环境与应用环境的不断变化,计

算机软硬件的发展也存在一种逐渐开放的趋势.以软件为例,从早期代码高度集中、与机器高度耦合,到 1964 年

Multics 操作系统

[4]

推动系统的通用化进程,UNIX 操作系统

[5]

开放用户任务、开启内核时代,再到 Mach 微内核

的问世

[6]

、GNU 项目的发起以及 Linux 内核的公开发布,开源软件思想深入人心,体系结构也逐渐走向设计公

开化、内容多样化、管理多元化、研发社区化、功能可定制化的局面.在这样的背景下,如何有效整合多种软

硬件资源,发挥开放系统的独特优势, 精准满足用户任务需求, 成为关注重点. 指令集架构(instruction set

architecture,简称 ISA)作为软件与硬件之间的交互规范,定义了软硬件的组合或整合方式.在上述趋势和背景下,

迫切需要一种新的指令集,既满足软硬件的深度协同融合和灵活组合,又具备开放特性.

RISC-V 是一种新兴的开源精简指令集架构,由加州大学伯克利分校在 2010 年首次发布

[7]

.RISC-V 的出现

和迅速发展有其必然的原因,它是建立在现有的体系结构(如 x86、ARM、MIPS 等)经长期发展所暴露出的种

种问题之上,顺应现代信息系统设计需求和体系结构发展趋势而生的:(1) 现有体系结构往往缺乏开放性,存在

许多知识产权、政治干预等非技术性问题.例如,Intel 公司持有 x86 架构的专利(1978 年开始),使用 x86 指令集

相关技术需要向其支付高昂的授权费用,对 x86 指令集的模拟也将引发法律上的争议

[8]

.这种封闭的态势与体

系结构发展的开放趋势背道而驰,抬高了系统研发与成果转化的成本,阻碍了技术的推广和进步.RISC-V 具有

开源、免费、开放、自由的特点,其基金会总部于 2020 年 3 月正式迁往永久中立国瑞士

[9]

,更是释放了坚持服

务全世界的信号,使任何组织和个人都可以不受地缘政治影响、自由平等地使用 RISC-V.(2) 现有体系结构经

过长期发展,多个版本的迭代,积累了许多历史遗留问题.基于各历史版本的技术产品在市场生态中共存,使得

新版本的研发必须考虑向后兼容性,去支持一些过时的定义和其实不需要的技术特性.例如,AMD64 是对 32 位

x86 架构的 64 位扩展,面向 64 位开发与应用环境;但它同时仍要向后兼容 32 位甚至 16 位的 x86 架构,使早期

x86 架构下开发的应用同样可以在 AMD64 系统中正常运行.这种积重难返的状态削弱了现有体系结构的可定

制化能力,难以满足现代信息系统对于多样化的工作环境与功能表现的需求.RISC-V 作为一种从零开始设计的

新体系结构,吸收了现有各体系结构优点的同时,去除了对历史遗留问题的顾及和旧有技术的依赖;进一步

地,RISC-V 采用模块化设计,并提供大量自定义编码空间以支持对指令集的扩展,从而允许开发者根据资源、能

耗、权限、实时性等不同需求,基于部分特定的模块和扩展指令集进行精细化的系统设计研发,体现了强大的

系统可定制化能力.(3)现有主流架构的文档资源种类繁多、内容冗长,学习与维护的成本较高,使开发者难以在

短时间内掌握所需的技术,遇到问题时也不易迅速定位到相关的信息区间.例如,ARMv8-A 架构的官方手册

[10]

仅一卷就多达 8 538 页;相比之下,RISC-V 官方手册仅有两卷 329 页,包括 238 页的指令集手册

[11]

和 91 页的特

权架构手册

[12]

,文档精简,学习门槛更低,更有助于研发团队的不断壮大和技术实力的不断进步.

因此,对于 RISC-V 的研究已成为近年来学术界和工业界的一大热点,涌现了许多突破性成果,如西部数据

公司研发的基于 RISC-V 的通用架构 SweRV

[13]

、阿里巴巴公司研发的 64 位高性能嵌入式 RISC-V 处理器

Xuantie-910

[14]

、Koch 等人设计的嵌入式开源 FPGA(field programmable gate array,现场可编程门阵列)框架

FABulous

[15]

、中国科学院计算技术研究所在 RISC-V 中国峰会发布的开源高性能 RISC-V 处理器核“香山”

[16]

、

上海交通大学开源的基于 RISC-V 的可信执行环境安全系统“蓬莱”

[17]

.其中也包括了对 RISC-V 与不同应用领

域结合方式的探索,如 Kadomoto 等人

[18]

利用 RISC-V 芯片改善了无线总线接口技术,以促进对于小型机器人的

研究; Di Tucci 等人

[19]

将 RISC-V 应用于基因组处理,提出了专用领域架构 SALSA.这些系统、工具都是利用了

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