02｜RISC特性与发展：RISC-V凭什么成为“半导体行业的Linux”？
LMOS
你好，我是 LMOS。
上节课，我带你见证了两种计算机指令集的设计结构——CISC 与 RISC。而今天我们的“主角”就是 RISC 中的一个代表性特例，它就是 RISC-V。
作为未来芯片指令集的主流，RISC-V 是今后芯片设计的最佳方案，甚至可以说它就是硬件行业里的 Linux。
为什么这么说呢？这节课，我会从 RISC-V 发展历史、原理与技术特性几个方面入手，带你弄明白为什么 RISC-V 在半导体行业中发展得如此迅猛。
RISC-V 从何而来
让我们“穿越时空”，把时间线拉回到 2010 年。在加州伯克利分校的校园中，Krste Asanovic 教授正为了学生们学习计算机架构而发愁。由于现存芯片指令集冗余且专利许可费用昂贵，还有很多 IP 法律问题，没有一款合适的 CPU 用于学习。
于是他想要带领一个研究团队，来设计一款用于学生学习的 CPU。研究团队在选择架构的时候，对比了传统已经存在的 ARM、MIPS、SPARC 以及 x86 架构等，发现这些架构指令集要么极其复杂，要么极其昂贵。所以，他们的研究团队最终决定设计一套全新的指令集。
这个研究团队最开始只有 4 个人，却在三个月之内完成了指令集原型开发，其能力可见一斑。后来，这个项目被计算机体系结构方面的泰斗 David Patterson 发现，并且得到了他的大力支持。
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RISC-V指令集架构作为未来芯片设计的主流方案，被誉为硬件行业的Linux。文章从RISC-V的发展历史、原理与技术特性几个方面入手，解析了RISC-V的独特之处。RISC-V源自加州伯克利分校的研究团队，他们设计了一套全新的指令集，并在2011年进行了首次流片。RISC-V的命名方式以及指令集模块的灵活性使其适应不同的应用场景，降低了CPU的实现成本。文章还介绍了RISC-V的寄存器结构，其中包括32个通用寄存器和一个PC寄存器，以及额外支持F/D扩展指令集的32个浮点寄存器。RISC-V的开放许可证书、免费使用以及良好的生态环境，使其在半导体行业中发展迅猛。 RISC-V指令集架构作为未来芯片设计的主流方案，被誉为硬件行业的Linux。文章从RISC-V的发展历史、原理与技术特性几个方面入手，解析了RISC-V的独特之处。RISC-V源自加州伯克利分校的研究团队，他们设计了一套全新的指令集，并在2011年进行了首次流片。RISC-V的命名方式以及指令集模块的灵活性使其适应不同的应用场景，降低了CPU的实现成本。文章还介绍了RISC-V的寄存器结构，其中包括32个通用寄存器和一个PC寄存器，以及额外支持F/D扩展指令集的32个浮点寄存器。RISC-V的开放许可证书、免费使用以及良好的生态环境，使其在半导体行业中发展迅猛。
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听水的湖置顶又见面啦，我是这门课的编辑小新。 以下是下节课的预告和“预习作业”： 下个模块开始手写CPU啦（8月1日更新），我们这次用Verilog语言写。老师正奋战中，把配套代码等等都为大家准备上，大伙儿可以趁等待更新这周吸收消化下前两节课。 还可以看看下面的“预习”作业： 1.第一季也有一篇内容稍微涉及了一点Verilog语言，代码也不多，会带你实现一个可以计算任意 N 位二进制数的 ALU。迫不及待的同学可以先行去瞅瞅，找个感觉：https://time.geekbang.org/column/article/409790 2.也许你之前并没接触过硬件语言，但对比学习大法还是很不错的。可以先自行思考一下Verilog语言和我们熟悉的软件编程所用语言有哪些不同，带着疑问学习，效果加倍哦。答案我们将在后面揭晓！作者回复: 比心
2022-07-2521
pedro为什么riscv需要定义不同的特权级？ 这并不是riscv独有的，让我们把注意力回到老朋友intel上。 事实上，cpu刚出现的那段时间里，压根就没有特权级这个概念，任何人都是实打实土皇帝，但是这样怎么管理？应用程序之间经常打架斗殴，搞不好还把机器搞垮了。 然后inter的那帮人就搞出了一个特权级的概念，你虽然想打架，但我不准你打，你出手，我就红牌，然后大家都老实了，系统运行就很稳定了。 说了这么多，特权级无非是让大家守规矩，讲安全，和谐共生。作者回复: 我p哥 66666
2022-07-20845
lifetime问个小白才会问到的问题？ 硬件CPU的“源代码”指的是什么？ 对于ARM是售卖“源代码”存活的，那么它的“源代码”是指指令集的定义，寄存器的定义，特权级的定义吗，以及如何实现特权级的转换，寄存器如何使用等的规范？ 我觉得是不是除了这些规范，还会包含CPU的内部结构，那些晶体管的摆放和连接设计图纸呀？作者回复: 设计CPU的资料
2022-10-23归属地：湖北3
仰望星空为什么RISC-V要定义特权级？主要是为了系统能稳定和安全的运行，设想一下如果没有特权级，任何应用都能任意访问所有硬件，这必将会是一场灾难作者回复: 是的 是的 学的明白
2022-07-213
可爱因子1/n就像老师上课讲到的，设置特权级就是给指令加上了权力，这样的话应用程序所执行的指令就只能做自己权利范围以内的事情，避免对其他的应用程序产生不必要的干扰和破坏，维持这个生态的稳定和平衡作者回复: 正确 理解到位
2022-07-213
青玉白露特权级是为了能够实现资源隔离、权限管理所设置的。之后实现的操作系统就需要用到他作者回复: 哈哈 对的
2022-07-203
苏流郁宓俺觉得特权级区分用户软件与操作系统功能，在操作系统那边讲过，亮点应该是硬件线程，任意时刻只能运行在一个特权级上。这算不算是在安全与好用上做平衡？算不算是RISCv指令集对cpu发展的贡献？作者回复: 是的 其它CPU的核心 也是一样的 同一时间只用运行在一个特权级上
2022-07-212
JRISC-V定义特权级，有助于保护系统资源不被滥用和破坏，不会因为低特权程序的bug或恶意代码破坏环境。作者回复: 对 正确的
2022-07-202- 尹小白开放，简单，模块化
作者回复: 是的
2022-12-12归属地：湖北1 
揭晓林老师和同学们好，我这边想补充两个点： 1. 在RSIC-V因何流行那里，老师写的是“之前硬件和软件一样，都是小心地保护自己的 “源代码” ”这里是否将“硬件”和“软件”互换位置更顺畅一点？因为后面讲的是“直到后来，软件界出现了开源的 Linux” 2. 评论区有人评论特权级是如何切换的：我在B站看哈工大的操作系统课程时，第5讲里说到是用段寄存器来实现的，CPL（Current Privilege Level 当前的特权级） 和 DPL （Descriptor Privilege Level，目标段）。在操作系统启动的时候会初始化好。当用户程序执行的时候，会判断两个寄存器的值。作者回复: 嗯嗯
2022-10-15归属地：湖北1
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