RISC-V

【RISC-V介紹】三分鐘帶你了解RISC-V

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這篇文章會用比較淺顯易懂的文字帶你認識 RISC-V，適合有看過這些專有名詞但不是很了解它們是如何運作的人閱讀，希望可以幫助你整合這些概念。

什麼是RISC？

CPU 的指令集可簡單分為 2 種：RISC（reduced instruction set computer, 精簡指令集電腦）和 CISC（Complex Instruction Set Computer, 複雜指令集電腦），顧名思義就是一個簡單一個複雜（？），至於他們在幹嘛我們一步一步看下去，大家先把這個名詞還有特性記起來就好。

什麼是指令集(instruction set)？

* 中央處理器 CPU (Central Processing Unit)

電腦的運算核心，靠著 解讀與執行指令(instruction) 來維持電腦的運作。

* 組合語言與指令

我們在寫程式的時候，以 C++ 為例，要單純計算兩個數字相加，你可能會這樣寫：

    int a,b,c;
    a = 3;
    b = 4;
    c = a + b;

但是 C++ 是高階的語言，電腦看不懂，我們需要一個**編譯器 (compiler) **來把它轉成機器“比較”看得懂的組合語言 (assembly code)。

在組合語言就是各式各樣的指令 (instruction)，這些指令各有不同的功能，像是把記憶體內部的資料載入 CPU 的暫存器 (register)*、把兩個暫存器存資料的加起來、跳到另外一行執行等等，為了要讓 CPU 看得懂，在 C++ 裡面一行就可以寫完的東西這邊要變成很多步驟。

以上面code的第四行為例，會需要進行下列的步驟：

  1. 把 a 從記憶體移到 暫存器1 中
  2. 把 b 從記憶體移到 暫存器2 中
  3. 把 暫存器1 和 暫存器2 的內容加起來放進 暫存器3 中
  4. 把 暫存器3 放進記憶體中 c 的位置

＊ 暫存器 (register) 是在CPU內部的儲存空間，資料要在暫存器裡面 CPU 才可以直接拿來算。

上述的每個步驟就是一個指令，步驟1和步驟2的功能相同，那他們就屬於相同的指令，打成 RISC-V 的指令名稱就會長這樣 （這個不是完整的指令，只是指令的名稱而已）：

LD  //load
LD  //load
ADD //add
SD  //save

不同的 CPU 架構的指令名稱就會跟這個不一樣，雖然基本功能都差不多，但*指令的細節會不太一樣，因此在不同 CPU 架構上編譯出來的組合語言也是不同的。

所以重點來了：

我們知道一個 CPU 的工作就是負責讀懂這些指令進行運算，因此餵給某個 CPU 的指令必須要是它看得懂的才行，而一個 CPU 看得懂的所有指令，我們就叫他“某 CPU 的指令集”，像是 RISC-V 的指令集、x86 的指令集、MIPS 的指令集等等。

＊後面的文章會針對 RISC-V 的指令集做詳細的介紹。

* 為什麼要有不同的 CPU 指令集？

CPU 指令集可以被簡單分類在 RISC 和 CISC 中，像是 RISC-V、MIPS、Arm 架構屬於 RISC，x86 屬於CISC。RISC 指令集中的指令數量不多，功能也不多，所以需要較多指令才能相同的工作；CISC 則相反，他指令數量超多，功能超多，很多時候只要一行指令就可以完成需要的功能。詳細比較如下：

因為兩者各有優缺點，根據不同的應用我們會需要不同的 CPU 架構：CISC 功能強大，適合高性能但同時高功耗的 CPU 架構，像是 Intel x86 ；RISC 架構簡單，適合需要面積與功耗較小的行動裝置，所以像是手機裡的 Arm 晶片就是屬於 RISC 架構的一種。

值得一提的是，電腦發展並不是一開始就有 CISC 和 RISC 兩種架構的。CISC 是在 RISC 的出現後才出現與其相對的名詞。

接下來我們來談談為什麼 RISC 的概念這麼重要。

RISC-V在紅什麼？

  1. 指令集精簡 請注意我剛剛說的：RISC 架構簡單，因此面積小且功耗低。 因為硬體每個功能都需要事先寫好刻成一個電路，所以指令格式愈一致，需要的電路就愈簡單，面積也就愈小，功耗也會愈低，且資料從進去 CPU 到出來的時間也會較短，所以每秒可以做的運算也愈多。此外，指令格式愈一致，執行pipeline*的效果就愈好，也就可以節省更多的時間。 就現在的趨勢來看，我們希望 CPU 算得愈快愈好，因此指令集要愈精簡愈好，而 RISC-V 就是設計更為精簡的 RISC 指令集。因為現在 CPU 已經算得很快了，要讓它更快的成本要比以前更多，為了讓同一代 CPU 能用更久，RISC-V是一個很好的選擇。 ＊pipeline：線路管線化，之後會介紹。
  2. 開源指令集
    容易取得資源，不像 x86 受制於所屬公司知識產權的控制，因此不需授權費用，成本較低。
  3. 彈性較大
    這是 RISC-V 與 Arm 的最大差別，它預留了客製指令的擴充空間（custom instructions），可以根據不同需求做出相對應設計。這點在 x86 和 Arm 處理器中幾乎做不到，如果需要加強某些特定的功能，價格也會隨之上升。
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