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RISC-V架構(gòu)指令集的手冊，目前是唯一的中文版，翻譯大作
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2018-6-1 17:10 上傳
序言
這是描述 RISC-V 用戶級體系結(jié)構(gòu)文檔的 2.1 版。注意已經(jīng)凍結(jié)的基本用戶級 ISA 和 2.0版的IMAFDQ擴(kuò)展從該文檔的上一個(gè)版本[30]以來并沒有發(fā)生變化，但是填充了一些規(guī)范的“空洞”以及改善了文檔。對軟件約定做了一些改變。
對注釋部分做了大量地添加和改進(jìn)。
每一章有單獨(dú)的版本號。
修改了＞64位的長指令編碼，以避免在非常長的指令格式里移動(dòng) rd區(qū)分符。
現(xiàn)在使用基本整數(shù)格式來描述 CSR 指令，引入了計(jì)數(shù)器寄存器，不同于 （以前版本）僅在后面的浮點(diǎn)部分（和特權(quán)體系結(jié)構(gòu)手冊中）引入。
SCALL指令和 SBREAK 指令被分別重命名為 ECALL指令和EBREAK 指令。它們的編碼和功能并沒有改變。
澄清了浮點(diǎn)NaN 的處理，以及一個(gè)新的規(guī)定的NaN值。
澄清了浮點(diǎn)到整數(shù)轉(zhuǎn)換溢出時(shí)的返回值。
澄清了LR/SC 允許的成功和要求的失敗，包括在序列中使用壓縮指令。
一個(gè)新的RV32E 基本ISA提案，可減少整數(shù)寄存器數(shù)量。
修訂了調(diào)用約定。
放松了軟浮點(diǎn)調(diào)用約定的棧對齊，描述了 RV32E調(diào)用約定。
一個(gè)修訂的C壓縮擴(kuò)展提案，版本1.9。
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2018-6-1 17:16 上傳
22.1 到 ISA手冊 1.0 版本以前的歷史
RISC-V ISA和指令集手冊構(gòu)建于幾個(gè)早期的項(xiàng)目。管理員級機(jī)器的幾個(gè)方面和數(shù)據(jù)手冊的整個(gè)格式，可以追溯到始于1992年的UC Berkeley和ICSI的T0（Torrent-0）向量微處理器項(xiàng)目。T0是一款基于MIPS-II ISA的向量處理器，其主要體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、RTL設(shè)計(jì)師是Krste Asanović，主要的VLSI實(shí)現(xiàn)者是Brian Kingsbury、Bertrand Irrisou。ICSI的David Johnson是T0 ISA設(shè)計(jì)、部分管理員模式、手冊文本的主要貢獻(xiàn)者。John Hauser為T0 ISA設(shè)計(jì)提供了大量的反饋。
在MIT始于2000的Scale（Software-Controlled Architecture for Low Energy），是在T0項(xiàng)目基礎(chǔ)上構(gòu)建的，修訂了管理員級接口，并通過丟棄分支延遲槽而脫離了MIPS標(biāo)量ISA。MIT的Scale Vector-Thread處理器主要體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師是Ronny Krashinsky和Christopher Batten，而Mark Hampton負(fù)責(zé)把基于GCC的編譯器和工具移植到了Scale。 在2002年秋季學(xué)期，一個(gè)T0 MIPS標(biāo)量處理器規(guī)范的修訂版本（MIPS-6371）被用于新版本的MIT 6.371 “VLSI概述”課程教學(xué)，教師是Chris Terman和Krste Asanović。 Chris Terman完成了絕大部分課程實(shí)驗(yàn)的材料（課程并沒有TA�。�。這個(gè)6.371課程在2005年春季，發(fā)展成為MIT的6.884“復(fù)雜數(shù)字設(shè)計(jì)”試行課程，教師是Arvind和Krste Asanović，后來發(fā)展成6.375春季正式課程。一個(gè)稱為SMIPS的簡化版Scale基于MIPS的標(biāo)量ISA，被用于6.884/6.375課程。Christopher Batten作為最早的TA，圍繞SMIPS ISA開發(fā)了大量的文檔和實(shí)驗(yàn)材料。這些SMIPS實(shí)驗(yàn)材料被TA Yunsup Lee采用并增強(qiáng)， 在2009年秋季在UC Berkeley的CS250 “VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中使用，教師是John Wawrzynek、Krste Asanović和John Lazzaro。 Marven（Malleable Array of Vector-thread ENgines）是第二代向量線程體系結(jié)構(gòu)。這個(gè)設(shè)計(jì)是由Christopher Batten領(lǐng)導(dǎo)，當(dāng)時(shí)他還是于2007年夏開始的UC Berkeley訪問學(xué)者。一名來自Hitachi的訪問專家Hidetaka Aoki，為早期的Marven ISA和微體系結(jié)構(gòu)提供了大量的反饋。Marven結(jié)構(gòu)是基于Scale結(jié)構(gòu)的，但是Marven ISA更加遠(yuǎn)離了Scale定義的MIPS ISA變種，它有一個(gè)統(tǒng)一的浮點(diǎn)和整數(shù)寄存器文件。Marven被設(shè)計(jì)用于支持備選的數(shù)據(jù)并行加速器實(shí)驗(yàn)。Yunsup Lee是各種Marven向量單元的主要實(shí)現(xiàn)者，Rimas Avižienis是各種Marven標(biāo)量單元的實(shí)現(xiàn)者。Yunsup Lee和Christopher Batten將GCC移植到新的Marven ISA上。Christopher Celio提供了Marven的一個(gè)傳統(tǒng)向量指令集（“Flood”）變種的初始定義。
基于所有前面這些項(xiàng)目，RISC-V ISA定義始于2010年夏。RISC-V 32位指令子集的一個(gè)初始版本被用于UC Berkeley 2010年秋的CS250“VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程，Yunsup Lee是課程的TA。RISC-V與早期受MIPS啟發(fā)的設(shè)計(jì)完全不同。John Hauser為浮點(diǎn)ISA定義做了貢獻(xiàn)。
22.2 從 ISA手冊 2.0 版本以來的歷史
首款被制造的RISC-V處理器使用Verilog書寫的，并作為Raven-1測試芯片，于2011年在ST的預(yù)先量產(chǎn)28nm FDSOI工藝上制造。在Krste Asanović的指導(dǎo)下，Yunsup Lee和Andrew Waterman研發(fā)了兩個(gè)內(nèi)核，并一同被制造：1）一個(gè)具有錯(cuò)誤檢測觸發(fā)器的RV64標(biāo)量內(nèi)核，2）一個(gè)具有64位浮點(diǎn)向量單元的RV64內(nèi)核。最開始的微體系結(jié)構(gòu)被稱為“火車失事（TrainWreck）”，主要是因?yàn)槭褂貌怀墒斓脑O(shè)計(jì)庫在短時(shí)間內(nèi)完成了設(shè)計(jì)。 接著，一個(gè)全新的、按序、去耦合RV64內(nèi)核微體系結(jié)構(gòu)，在Krste Asanović指導(dǎo)下，由Andrew Waterman、Rimas Avižienis和Yunsup Lee研發(fā)出來，繼續(xù)鐵軌模式，代號“火箭（Rocket）”，按照George Stephenson成功的蒸汽機(jī)車設(shè)計(jì)而命名。Rocket是使用Chisel語言書寫的，Chisel是由UC Berkeley開發(fā)的一種新的硬件設(shè)計(jì)語言。Rocket中的IEEE浮點(diǎn)單元是由John Hauser、Andrew Waterman和Brian Richards開發(fā)的。由此，Rocket被進(jìn)一步修正和改進(jìn)，并2次在28nm FDSOI工藝上制造（Raven-2、Raven-3），為一個(gè)光子學(xué)項(xiàng)目而5次在IBM 45nm SOI工藝上制造（EOS14、EOS16、EOS18、EOS20、EOS22）�，F(xiàn)在正在做的工作就是將Rocket設(shè)計(jì)做成一個(gè)可參數(shù)化的RISC-V處理器生成器。 EOS14-EOS22芯片包含了一個(gè)早期版本的Hwacha，它是一個(gè)64位IEEE 浮點(diǎn)向量單元，由Yunsup Lee、Andrew Waterman、Huy Vo、Albert Ou、Quan Nguyen、Stephen Twigg在Krste Asanović的指導(dǎo)下研發(fā)的。EOS16-EOS22包含了具有cache一致性協(xié)議的雙核，在Krste Asanović的指導(dǎo)下由Henry Cook、 Andrew Waterman研發(fā)。 EOS14芯片成功地運(yùn)行在1.25GHz，EOS16芯片遭受IBM pad庫的一個(gè)bug影響，EOS18和EOS20成功地運(yùn)行在1.35GHz。 Raven測試芯片的貢獻(xiàn)者包括Yunsup Lee、Andrew Waterman、Rimas Avižienis、Brian Zimmer、Jaehwa Kwak、Ruzica Jevtić、Milovan Blagojević、Alberto Puggelli、Steven Bailey、Ben Keller、Pi-Feng Chiu、Brian Richards、Borivoje Nikolić和Krste Asanović。 EOS測試芯片的貢獻(xiàn)者包括Yunsup Lee、 Rimas Avižienis、 AndrewWaterman、 Henry Cook、Huy Vo、Daiwei Li、Chen Sun、Albert Ou、Quan Nguyen、Stephen Twigg、Vladimir Stojanović和Krste Asanović。 Andrew Waterman和Yunsup Lee開發(fā)了C++ ISA仿真器“Spike”，作為研發(fā)過程中的黃金模型，其名字來源于在US橫貫大陸的鐵路竣工慶典上所使用的黃金鐵道釘。Spike已經(jīng)成為一個(gè)BSD開源項(xiàng)目。
AndrewWaterman完成了一個(gè)具有初步RISC-V壓縮指令集設(shè)計(jì)的碩士論文[28]。
完成了各種各樣的RISC-V FPGA實(shí)現(xiàn)，主要是Par Lab項(xiàng)目研究的集成演示的一部分。最新的FPGA設(shè)計(jì)具有3個(gè)cache一致性的RV64IMA處理器，運(yùn)行了一個(gè)研究用的操作系統(tǒng)。FPGA實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)者包括Andrew Waterman、Yunsup Lee、Rimas Avižienis和Krste Asanović。 RISC-V處理器被用于UC Berkeley的數(shù)門課程。Rocket被用于2011年秋的CS250，作為課程項(xiàng)目的基礎(chǔ)，Brian Zimmer是課程TA。在2012年春本科生CS152課程上，Christopher Celio使用ChiSel語言書寫了一系列適合教學(xué)用途的RV32處理器，命名為“Sodor”，這是“托馬斯小火車”和他的小伙伴們生活的小島。這個(gè)套件包括一個(gè)微編碼內(nèi)核（microcoded core）、一個(gè)非流水內(nèi)核、2級流水內(nèi)核、3級流水內(nèi)核、5級流水內(nèi)核，并在BSD授權(quán)下公開共享。這個(gè)套件于2013年春在CS152課程中得到更新和再度使用，Yunsup Lee是課程TA，2014年春Eric Love是課程TA。Christopher Celio也開發(fā)了一個(gè)亂序執(zhí)行的RV64設(shè)計(jì)，稱為BOOM（Berkeley Out-of-Order Machine），并具有流水線可視化功能，被用于CS152課程。CS152課程還使用了由Andrew Waterman和Henry Cook開發(fā)的具有cache一致性版本的Rocket內(nèi)核。
2013年夏，定義了RoCC（Rocket Custom Coprocessor）接口，以簡化向Rocket內(nèi)核添加定制加速器的工作。在2013年秋，Rocket和RoCC接口被大量應(yīng)用于CS250 VLSI課程，教師是Jonathan Bachrach，好幾個(gè)學(xué)生加速器項(xiàng)目是構(gòu)建在RoCC接口之上的。Hwacha向量單元作為RoCC協(xié)處理器被重寫。
兩名Berkeley本科生，Quan Nguyen和Albert Ou，在2013年春，成功的將Linux移植到RISC-V上。
在2014年1月，Colin Schmidt成功的完成了RISC-V 2.0的LLVM后端。
在2014年3月，Bluespec的Darius Rad貢獻(xiàn)了軟浮點(diǎn)ABI支持的GCC移植。
我們也注意到幾個(gè)其他的RISC-V內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，包括一個(gè)由Tommy用Verilog書寫，一個(gè)由Rishiyur Nikhil用Bluespec書寫。
致謝
感謝Christopher F. Batten、Preston Briggs、Christopher Celio、David Chisnall、Stefan
Freudenberger、John Hauser、Ben Keller、Rishiyur Nikhil、Michael Taylor、Tommy Thorn和
Robert Watson為ISA 2.0版本規(guī)范的初稿提出意見。
2.0 版的序言
用戶指令集體系結(jié)構(gòu)規(guī)范的第二個(gè)發(fā)布版本，我們試圖保持這個(gè)基本的用戶 ISA 加上通
用擴(kuò)展（就是IMAFD），在未來版本中保持固定不變。從這個(gè) ISA的 1.0 版本[29]以來，有如
下變化：
ISA 被劃分為一個(gè)整數(shù)基本內(nèi)核和幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。
重新組織了指令格式，使得立即數(shù)編碼更加高效。
基本的ISA 被定義為擁有一個(gè)小端（little-endian）的存儲器系統(tǒng)，而大端、雙端作為非標(biāo)準(zhǔn)的變種。
Load-Reserved/Store-Conditional（LR/SC）指令被添加進(jìn)原子指令集擴(kuò)展。
AMO和LR/SC 指令可以支持釋放一致性模型（release consistency model）。
FENCE指令提供了細(xì)粒度的存儲器和 I/O序列化（orderings）。
加入了fetch-and-XOR的AMO（AMOXOR），對 AMOSWAP的編碼進(jìn)行了修改，以便留出空間。
將 20 位立即數(shù)加到 PC 上的 AUIPC 指令，替換了 RDNPC 指令，AUIPC 指令只讀取當(dāng)前的PC 值。這導(dǎo)致對位置無關(guān)代碼（position-independent code）的大量簡化。
JAL 指令現(xiàn)在被移動(dòng)到 U 類型格式，具有一個(gè)顯示的（explicit）目標(biāo)寄存器，而 J指令被 rd=x0 的 JAL 指令所代替。這個(gè)改變，消除了唯一一條需要隱式（implicit）目標(biāo)寄存器的指令，并且從標(biāo)準(zhǔn) ISA 中去掉了 J 類型指令格式。這雖然是 JAL 指令的一個(gè)附加效果，但是卻極大地減少了基本 ISA 的復(fù)雜性。
去掉了 JALR 指令的靜態(tài)提示（static hints）。對于使用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用約定編譯的代碼來說，這些提示和 rd、rs1寄存器是冗余的。
JALR 指令現(xiàn)在清除了計(jì)算出來的目標(biāo)地址的最低位，以簡化硬件并允許在函數(shù)指針中存儲附加信息。
MFTX.S、MFTX.D 指令被分別命名為FMV.X.S、FMV.X.D指令，MXTF.S、MXTF.D指令被分別命名為 FMV.S.X、FMV.D.X指令。
MFFSR、 MTFSR 指令被分別命名為FRCSR、 FSCSR指令，新增了FRRM、 FSRM、
FRFLAGS和FSFLAGS指令，用于獨(dú)立地訪問fcsr寄存器的舍入模式和異常標(biāo)志。
FMV.X.S、FMV.X.D 指令現(xiàn)在使用 rs1 作為源操作數(shù)，而不是 rs2。這樣可以簡化數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)。
新增了FCLASS.S、FCLASS.D 浮點(diǎn)指令。
采用了一種更簡單的 NaN生成和傳播模式。
對于 RV32I，系統(tǒng)性能計(jì)數(shù)器被擴(kuò)展成 64 位寬度，可以單獨(dú)讀取高 32 位和低 32位。
定義了規(guī)定的（Canonical）NOP 和MV指令編碼。
對于48位、64位和大于64位指令，定義了標(biāo)準(zhǔn)指令長度編碼。 新增了一個(gè)128位地址空間變種RV128 的描述。
32位基本指令格式中的大部分操作碼分配給用戶自定義的定制擴(kuò)展。
一個(gè)印刷錯(cuò)誤被糾正：store的源操作數(shù)來源于 rd，其實(shí)應(yīng)該來源于 rs2。
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