RISC-V

RISC-V — расширяемая открытая и свободная система команд и процессорная архитектура на основе концепции RISC, предназначенная для создания процессоров/микроконтроллеров и разработки ПО. Спецификации архитектурных описаний RISC-V свободно доступны и бесплатны для любого использования, включая коммерческие реализации непосредственно в кремнии или для конфигурирования ПЛИС. Участие в проектировании и обсуждении спецификаций архитектурных описаний открытое. Система команд имеет зарезервированные в спецификации биты для кодирования расширений без ограничения области применения.

История создания и управление развитием 
Идея RISC-V появилась в 2010 году как продолжение исследований по проектированию вычислительных систем в Калифорнийском университете Беркли в США, при непосредственном участии Дэвида Паттерсона — одного из авторов и сторонников применения концепции RISC. Нынешние участники процесса развития RISC-V являются добровольцами из многих научных организаций, университетов и компаний разных стран. В отличие от других академических проектов, сосредоточенных на образовательных целях, RISC-V изначально проектируется для широкого круга компьютерных применений.

В 2015 году, для устойчивого развития, стандартизации и продвижения RISC-V, создан международный фонд RISC-V и ассоциация со штаб-квартирой в Цюрихе в Швейцарии. С 2018 года фонд RISC-V работает в партнёрстве с The Linux Foundation. В руководство и технические комитеты входят две русские компании разработчики процессорных ядер — Syntacore и CloudBEAR, а также разработчики системного ПО (Альт Линукс, Астра Линукс). 

В феврале 2022 года компания Intel объявила об инвестировании в развитие RISC-V одного миллиарда долларов и вошла в состав руководства RISC-V. В сентябре 2022 года в России образован Альянс RISC-V. По состоянию на декабрь 2022 года 13 из 25 мест в совете директоров RISC-V занимают китайские компании и организации, ведущую роль из которых занимает Китайская академия наук.

Базовая спецификация «RV32I» 
Базовая спецификация RV32I (RV — RISC-V, 32-разрядная, I означает Integer — целочисленную арифметику), содержит набор из 32  регистров и включает 39 инструкций. Используется 6 типов кодирования инструкций (форматов).

Базовые расширения:
 M — целочисленное умножение/деление
 A — атомарные операции с памятью
 F и D — вычисления с плавающей точкой с дополнительным набором регистров (одинарной Float и двойной Double точности)
 C — сжатый формат команд (подмножество RV32I), для удвоения плотности упаковки в машинном слове наиболее востребованных стандартных инструкций
Базовый набор RV32Е для встраиваемых систем совпадает по кодированию и набору инструкции с RV32I, но содержит только 16 регистров. Применяется, например, в недорогих микроконтроллерах.

Система команд 
В архитектуре RISC-V имеется обязательное для реализации небольшое подмножество команд (набор инструкций I — Integer) и несколько стандартных опциональных расширений.

В базовый набор входят инструкции условной и безусловной передачи управления/ветвления, минимальный набор арифметических/битовых операций на регистрах, операций с памятью (load/store), а также небольшое число служебных инструкций.

Операции ветвления не используют каких-либо общих флагов как результатов ранее выполненных операций сравнения, а непосредственно сравнивают свои регистровые операнды. Базис операций сравнения минимален, а для поддержки комплементарных операций операнды просто меняются местами.

Базовое подмножество команд использует следующий набор регистров: специальный регистр x0 (zero), 31 целочисленный регистр общего назначения (x1 — x31), регистр счётчика команд (PC, используется только косвенно), а также множество CSR (Control and Status Registers, может быть адресовано до 4096 CSR).

Для встраиваемых применений может использоваться вариант архитектуры RV32E (Embedded) с сокращённым набором регистров общего назначения (первые 16).
Уменьшение количества регистров позволяет не только экономить аппаратные ресурсы, но и сократить затраты памяти и времени на сохранение/восстановление регистров при переключениях контекста.

При одинаковой кодировке инструкций в RISC-V предусмотрены реализации архитектур с 32-, 64- и 128-битными регистрами общего назначения и операциями (RV32I, RV64I и RV128I, соответственно).

Разрядность регистровых операций всегда соответствует размеру регистра, а одни и те же значения в регистрах могут трактоваться как целые числа как со знаком, так и без знака.

Нет операций над частями регистров, нет каких-либо выделенных «регистровых пар».

Операции не сохраняют где-либо биты переноса или переполнения, что приближено к модели операций в языке программирования Си.
Также аппаратно не генерируются исключения по переполнению и даже по делению на 0.
Все необходимые проверки операндов и результатов операций должны производиться программно.

Целочисленная арифметика расширенной точности (большей, чем разрядность регистра) должна явно использовать операции вычисления старших битов результата.
Например, для получения старших битов произведения регистра на регистр имеются специальные инструкции.

Размер операнда может отличаться от размера регистра только в операциях с памятью.
Транзакции к памяти осуществляются блоками, размер в байтах которых должен быть целой неотрицательной степенью 2, от одного байта до размера регистра включительно. Операнд в памяти должен иметь «естественное
выравнивание» (адрес кратен размеру операнда).

Архитектура использует только модель little-endian — первый байт операнда в памяти соответствует младшим битам значений регистрового операнда.

Для пары инструкций сохранения/загрузки регистра операнд в памяти определяется размером регистра выбранной архитектуры, а не кодировкой инструкции (код инструкции один и тот же для RV32I, RV64I и RV128I, но размер операндов 4, 8 и 16 байт соответственно), что соответствует размеру указателя,
типам языка программирования C size_t или разности указателей.

Для всех допустимых размеров операндов в памяти, меньших, чем размер регистра, имеются отдельные инструкции загрузки/сохранения младших битов регистра, в том числе для загрузки из памяти в регистр есть парные варианты инструкций, которые позволяют трактовать загружаемое значение как со знаком (старшим знаковым битом значения из памяти заполняются старшие биты регистра) или без знака (старшие биты регистра устанавливаются в 0).

Инструкции базового набора имеют длину 32 бита с выравниванием на границу 32-битного слова, но в общем формате предусмотрены инструкции различной длины (стандартно — от 16 до 192 бит с шагом в 16 бит) с выравниванием на границу 16-битного слова. Полная длина инструкции декодируется унифицированным способом из её первого 16-битного слова.

Для наиболее часто используемых инструкций стандартизовано применение их аналогов в более компактной 16-битной кодировке (C — Compressed extension).

Операции умножения, деления и вычисления остатка не входят в минимальный набор инструкций, а выделены в отдельное расширение (M — Multiply extension). Имеется ряд доводов в пользу разделения и данного набора на два отдельных (умножение и деление).

Стандартизован отдельный набор атомарных операций (A — Atomic extension).

Поскольку кодировка базового набора инструкций не зависит от разрядности архитектуры, то один и тот же код потенциально может запускаться на различных RISC-V архитектурах, определять разрядность и другие параметры текущей архитектуры, наличие расширений системы инструкций, а потом автоконфигурироваться для целевой среды выполнения.

Спецификацией RISC-V предусмотрено несколько областей в пространстве кодировок инструкций для пользовательских «X-расширений» архитектуры, которые поддерживаются на уровне ассемблера, как группы инструкций custom0 и custom1.

Список наборов команд 

В 32-битных микроконтроллерах и для других встраиваемых применений используется набор RV32EC. В 64-битных процессорах может быть набор групп RV64GC, то же самое в полной записи — RV64IMAFDC.

Форматы машинных команд 
Формат 32-битной машинной команды
(признаки — младшие биты всегда «11» и 2-4 биты ≠̸ «111»)

 rs1 — номер регистра в котором находится первый операнд
 rs2 — номер регистра в котором находится второй операнд
 rd — номер регистра в который будет записан результат

Регистры 
RISC-V имеет 32 (или 16 для встраиваемых применений) целочисленных регистра. При реализации вещественных групп команд есть дополнительно 32 вещественных регистра.

Рассматривается вариант включения в стандарт дополнительного набора из 32 векторных регистров с вариативной длиной обрабатываемых значений, длина которых указывается в CSR vlenb.

Для операций над числами в бинарных форматах плавающей запятой используется набор дополнительных 32 регистров FPU (Floating Point Unit), которые совместно используются расширениями базового набора инструкций для трёх вариантов точности: одинарной — 32 бита (F extension), двойной — 64 бита (D — Double precision extension), а также четверной — 128 бит (Q — Quadruple precision extension).

Вызовы подпрограмм, переходы и ветвления

Арифметические и логические наборы команд

Атомарные операции с памятью

Сокращённые команды

Команды для встраиваемых применений

Привилегированные наборы команд

Битовые операции

Компактный набор команд для SIMD

Операции с векторами

Команды для отладки

Реализации 
В рамках проекта создано и опубликовано под свободной лицензией шесть дизайнов микропроцессоров с архитектурой RISC-V: генератор 64-разрядных Rocket (7 октября 2014) и пять упрощённых учебных ядер «Sodor» с различными микроархитектурами.

Также опубликовано несколько симуляторов (включая qemu и ANGEL — JavaScript-симулятор, работающий в браузере), компиляторов (LLVM, GCC), вариант ядра Linux для работы на RISC-V и компилятор дизайнов Chisel, который позволяет получать Verilog-код. Также опубликованы верификационные тесты.

Некоммерческая организация lowRISC планирует создание системы на кристалле на базе 64-битного ядра Rocket RISC-V с последующим массовым производством чипов.

На конференции RISC-V Workshop 2017 стало известно, что компания Esperanto Technologies разрабатывает 64-битный высокопроизводительный процессор общего назначения на системе команд RISC-V с гетерогенной архитектурой с высокой степенью параллелизма (напоминающий по строению процессор Cell), который в максимальной конфигурации будет содержать 16 ядер «ET-Maxion» (представляют собой конвейеры с неупорядоченным выполнением команд и работающие с данными с плавающей запятой) и 4096 ядер «ET-Minion» (конвейеры с последовательным выполнением команд и блоком с векторными вычислениями в каждом ядре).

Компания Western Digital заявила, что в партнёрстве с компанией Esperanto, она повысит текущий статус процессорной архитектуры RISC-V с уровня микроконтроллеров до уровня высокопроизводительных решений и создаст вычислительную архитектуру нового поколения для обработки «больших данных», а также экосистему быстрого доступа к данным — речь идёт о создании специализированных RISC-V-ядер для построения архитектуры «процессор в памяти» (processor-in-memory).

Самым доступным микроконтроллером с процессором на архитектуре RISC-V является ESP32 с процессорами серий ESP32-C, ESP32-H, ESP32-P.

IP-ядра 
Ряд компаний предлагают готовые блоки IP-ядер на базе архитектуры RISC-V, среди них:
 ECHX1 — компания Western Digital (США),
 Rocket — Калифорнийский университет в Беркли и компания SiFive (США),
 ORCA — компания Vectorblox (Канада),
 PULPino — Высшая техническая школа Цюриха (Швейцария) и Болонский университет (Италия),
 Hummingbird E200 — компания Nuclei System Technology (Китай),
 AndeStar V5 — компания Andes Technology (Тайвань)),
 Shakti — Индийский технологический институт в Мадрасе (Индия),
 BM-310, BI-350, BI-651, BI-671 — компания Клаудбеар (Россия),
 Семейство SCR компании Синтакор (Россия).

Процессоры и микроконтроллеры 
Серийные процессоры и микроконтроллеры на базе архитектуры RISC-V в формате системы на кристалле.

Микропроцессоры:
 2018 — SiFive: Freedom U540 (64 бита, 4+1 ядер, 1,5 ГГц, 28 нм)
 2019 — Alibaba: XuanTie 910 (64 бита, 16 ядер, нейроускоритель, 2,5 ГГц, 12 нм)
 2020 — SiFive: Freedom U740 (64 бита, 4+1 ядер, PCIe 3, DDR4 ECC, Ethernet 1G, QSPI, 1,5 ГГц)  
 2021 - ESP32-C и ESP32-H для микроконтроллеров ESP32.

Микроконтроллеры, выпущенные в 2017—2019 годах:
 Western Digital: SweRV Core (32 бита, 2 ядра, 1,8 ГГц, 28 нм)
 SiFive: FE310 (32 бита, 1 ядро, 870 МГц — 28 нм, 370 МГц — 55 нм)
 Kendryte: K210 (64 бита, 2 ядра + нейроускоритель, 600 МГц, 28 нм, 500 мВт)
 GreenWaves: GAP8 (32 бита, 8+1 ядер + нейроускоритель, 250 МГц, 55 нм, 100 мВт)
 NXP: RV32M1 (32 бита, 2 гибридных ядра ARM-M4F/RISC-V + ARM-M0+/RISC-V, 48-72 МГц)
 WCH: CH572 (60 МГц, корпус QFN28) контроллер BLE + Zigbee + USB + Ethernet + Touchkey
 HUAMI: MHS001 Huangshan № 1 (4 ядра, нейроускоритель, 55 нм, 240 МГц) энергоэффективный процессор для носимых устройств и IoT
 GigaDevice: GD32VF103 (1 ядро, 32 бита, 108 МГц, ОЗУ до 32 кБ, ПЗУ до 128 кБ) микроконтроллер (не путать с семейством GD32F103).
 FADU: Annapurna FC3081/FC3082 (64 бита, многоядерный, 7 нм, 1,7 Вт) контроллер для NVMe SSD
 BitMain: Sophon Edge TPU BM1880 (64 бита, 1 ядро RV64GC 1 ГГц + 2 ядра ARM A53 1,5 ГГц, 2,5 Вт) нейроускоритель 1 TOPS на INT8 для IoT и краевых вычислений
 Текон: Дружба (32 бита, 1 ядро, 250 МГц, 28 нм, 0,5 Вт)

Микроконтроллеры, выпущенные в 2020 году:
 ONiO: ONiO.zero (16/32 бита, 1 кБ ПЗУ, 2 кБ ОЗУ, 8/16/32 кБ ППЗУ, 1-24 МГц, 0,36-1,44 Вт, встроенный радиоэлектро генератор на 800/900/1800/1900/2400 МГц) BLE, 802.15.4 UWB
 WCH: CH32V103 (32 бита, 10/20КБ ОЗУ, 32/64 КБ ППЗУ, до 80 МГц, корпуса LQFP48, QFN48 или LQFP64) универсальный контроллер с USB 2.0, SPI, I2C, GPIO, USART, TouchKey, RTC, TIM, ADC
 Миландр: К1986ВК025 (32-битное ядро BМ-310S CloudBEAR, ОЗУ 112 Кбайт, ППЗУ 256+8 Кбайт, ПЗУ 16 Кбайт, 60 МГц, 90 нм фабрика TSMC, 7 каналов 24-битных метрологических АЦП, сопроцессоров для шифров «Кузнечик», «Магма» и AES, корпус QFN88 10 х 10 мм)
 Espressif: ESP32-C3 (32-битное ядро RV32IMC, 400 Кбайт SRAM, 384 Кбайт ПЗУ, 160 МГц, Wi-Fi, Bluetooth LE 5.0, по контактам совместим с ESP8266)
 Bouffalo Lab: BL602 и BL604 (32-битный, динамическая частота от 1 МГц до 192 МГц, 276 КБ SRAM, 128 КБ ПЗУ, Wi-Fi, Bluetooth LE)
 Cmsemicon: ANT32RV56xx (ядро RV32EC, 48 МГц, 32+8 Кбайт SRAM, 64 Кбайт)
Микроконтроллеры, выпущенные в 2021 году:
 Микрон (Россия): MIK32 (32-битное RV32IMC ядро SCR1 Syntacore, 1-32 МГц, фабрика Микрон, ОЗУ 16 КБ, ППЗУ 8 КБ, 64 входа/выхода, АЦП 12 бит 8 каналов до 1 МГц;, ЦАП 12 бит 4 канала до 1 МГц, криптография ГОСТ Р 34.12-2015 «Магма», «Кузнечик» и AES 128)
 Микроконтроллеры ESP32 с процессорами серий ESP32-C и ESP32-H

См. также 
 ARM – семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited
 OpenPOWER — коллаборация вокруг архитектуры IBM Power, основанная в 2013 году IBM, Google, Mellanox, NVIDIA
 OpenSPARC — свободная (GPL) реализация архитектуры SPARC V9 от 2005 года
 OpenRISC — свободная архитектура 2000 года с GPL-реализацией or1k
 LEON — свободные реализации (GPL, LGPL) архитектуры SPARC V8, появившиеся в 1997 году
 MIPS (MIPS Open) — наборы команд и архитектура, имеющие свободную лицензию на некоторые наборы команд с конца 2018 до конца 2019 года

Примечания

Литература 
 Instruction Sets Should Be Free: The Case For RISC-V  // Публикация Krste Asanović и Дэвида Паттерсона (pdf )
 The RISC-V Instruction Set   // HotChips 25
 RISC-V, Spike, and the Rocket Core 
 David Patterson и Andrew Waterman: «RISC-V reader: An Open Architecture Atlas», Strawberry Canyon,  (Sep. 10th, 2017).

Ссылки 

 
 UCB RISC-V  // GitHub

Архитектура компьютеров
Микропроцессоры
Микроконтроллеры
Открытое аппаратное обеспечение
RISC-V