RISC-V开放架构设计之道

本书首先提出一款指令集的7个评价指标，包括成本、简洁、性能、架构和实现分离、提升空间、代码大小、易于编程/编译/链接，并围绕这7 个评价指标从全系统角度向读者介绍RISC-V 的精巧设计和众多的取舍考量。同时，本书还介绍x86、ARM 和MIPS 的设计，并通过插入排序和DAXPY（双精度乘加）程序量化对比它们，突出RISC-V 的优势，深入阐释指令集设计对计算机系统的影响。 如果您是学生，本书将是一本优秀的课外读物，有助于您建立完整的计算机系统观念；如果您是教师，本书将为您提供丰富的真实案例，能给您的教学工作带来新的启发；如果您是相关方向的从业人士，本书除了开拓您的视野，还是一本方便的参考手册，帮助您更轻松地完成工作。

大卫·帕特森（David Patterson）在加州大学伯克利分校担任计算机科学系教授40年，于2016 年退休，并加入“Google 大脑”项目担任杰出工程师。他还担任RISC-V 国际基金会董事会副主席和RISC-V 国际开源实验室主任。

他曾被任命为伯克利计算机科学部主席，并当选计算研究协会（CRA，Computing Research Association）主席和计算机协会（ACM，Association for Computing Machinery）主席。

在20世纪80年代，他领导了四代精简指令集计算机（RISC，Reduced InstructionSet Computer）项目，伯克利z新的RISC 因此得名“RISC Five”（第五代RISC）。他和安德鲁·沃特曼（Andrew Waterman）均为四位RISC-V 架构师中的一员。

除RISC 以外，他z著名的研究项目是廉价磁盘冗余阵列（RAID，Redundant Arrays of Inexpensive Disks）。基于这项研究，他发表了多篇论文，出版了7 本书，获得了超过40项荣誉，包括当选美国国家工程院和美国国家科学院院士，入选“硅谷工程名人堂”，获ACM、CRA 和SIGARCH 颁发的杰出成就奖。他在教学方面所获奖项包括杰出教学奖（加州大学伯克利分校）、Karlstrom杰出教育家奖（ACM）、Mulligan 教育奖章（IEEE），以及两次教科书卓越奖（Text and Academic Authors Association）。

他最近获得的荣誉包括Tapia 成就奖、BBVA 基金会知识前沿奖以及ACM 图灵奖，其中后两者与约翰·轩尼诗（John Hennessy）共同获得。他在加州大学洛杉矶分校获所有学位，也被

该校授予杰出工程学院校友奖。他在南加州长大，兴趣爱好是和儿子们一起玩人体冲浪、骑自行车和踢足球，以及和妻子一起远足。他们在高中时期相爱，并于2022 年庆祝了55 周年结

婚纪念日。

安德鲁·沃特曼（Andrew Waterman）是SiFive 的总工程师和联合创始人。SiFive 由RISC-V 架构的发明者们创办，旨在提供基于RISC-V 的低成本定制芯片。他获加州大学伯克利分校计算机科学博士学位。其间，他厌倦了现有指令集架构的变幻莫测，于是参与设计了RISC-V ISA 和第一款RISC-V微处理器。安德鲁在多个开源项目中均做出主要贡献，包括基于RISC-V 指令集的开源Rocket chip 生成器、Chisel 硬件构造语言，以及Linux 操作系统内核、GNU C 编译器和C 库的RISC-V 版本移植工作。他还获加州大学伯克利分校硕士学位，其间开展了RISC-V 压缩扩展的前期工作。他还获杜克大学工学学士学位。

《RISC-V开放架构设计之道》由RISC-V架构的作者、著名的计算机体系架构专家David Patterson亲自主笔撰写，

以最精简的笔墨，清晰、透彻地勾勒了RISC-V架构的全貌，全书别出心裁地按照RISC-V模块化的指令来组织内容，以帮助读者深刻理解RISC-V的关键特性，

本书值得每一位对RISC-V感兴趣的读者精读，并可作为从业者随时翻阅的案头参考书。

w RISC-V 的基本概念和设计原则

w 深入分析RISC-V 的指令集、寄存器、内存管理、异常处理等

w 丰富的图表和示例

此外，本书还介绍x86、ARM 和MIPS 的设计，通过对比分析，突显RISC-V 的优势。
《RISC-V开放架构设计之道》由中科院计算所包云岗老师团队担纲翻译，是一本著译双馨的上乘佳作。

第1章 为什么要有RISC-V 1

1.1 导言 2

1.2 模块化ISA 和增量型ISA 3

1.3 ISA 设计导论 5

1.4 全书总览 11

1.5 结语13

1.6 扩展阅读14

第2章RV32I：RISC-V 基础整数指令集16

2.1 导言17

2.2 RV32I 指令格式18

2.3 RV32I 寄存器 21

2.4 RV32I 整数计算23

2.5 RV32I 取数和存数 25

2.6 RV32I 条件分支26

2.7 RV32I 无条件跳转 27

2.8 其他RV32I 指令28

2.9 通过插入排序对比RV32I、ARM-32、MIPS-32 和x86-32 28

2.10 结语34

2.11 扩展阅读 36

第3 章RISC-V 汇编语言 37

3.1 导言38

3.2 调用约定38

3.3 汇编器 41

3.4 链接器 46

3.5 静态链接和动态链接49

3.6 加载器 49

3.7 结语50

3.8 扩展阅读50

第4章RV32M：乘法和除法指令51

4.1 导言52

4.2 结语54

4.3 扩展阅读55

第5章RV32F 和RV32D：单精度和双精度浮点数56

5.1 导言57

5.2 浮点寄存器60

5.3 浮点取数、存数和算术运算62

5.4 浮点转换和数据传送63

5.5 其他浮点指令63

5.6 通过DAXPY 程序对比RV32FD、ARM-32、MIPS-32 和x86-32 65

5.7 结语68

5.8 扩展阅读68

第6章RV32A：原子指令70

6.1 导言71

6.2 结语73

6.3 扩展阅读74

第7章RV32C：压缩指令75

7.1 导言76

7.2 对比RV32GC、Thumb-2、microMIPS 和x86-32 81

7.3 结语82

7.4 扩展阅读82

第8章RV32V：向量83

8.1 导言84

8.2 向量计算指令85

8.3 向量寄存器和动态类型86

8.4 向量取数和存数88

8.5 向量操作的并行度 89

8.6 向量操作的条件执行90

8.7 其他向量指令90

8.8 示例：用RV32V 编写DAXPY 程序92

8.9 对比RV32V、MIPS-32 MSA SIMD 和x86-32 AVX SIMD· 93

8.10 结语97

8.11 扩展阅读 99

第9章RV64：64 位地址指令· 100

9.1 导言101

9.2 通过插入排序比较RV64 与其他64 位ISA 105

9.3 程序大小112

9.4 结语113

9.5 扩展阅读114

第10章RV32/64 特权架构115

10.1 导言116

10.2 简单嵌入式系统的机器模式117

10.3 机器模式的异常处理 119

10.4 嵌入式系统中的用户模式和进程隔离 124

10.5 现代操作系统的监管模式 126

10.6 页式虚拟内存128

10.7 标识和性能CSR 133

10.8 结语136

10.9 扩展阅读 136

第11章 未来的RISC-V 可选扩展 137

11.1 “B”标准扩展：位操作 138

11.2 “E”标准扩展：嵌入式 138

11.3 “H”特权态架构扩展：支持虚拟机管理器（Hypervisor） 138

11.4 “J”标准扩展：动态翻译语言· 138

11.5 “L”标准扩展：十进制浮点 139

11.6 “N”标准扩展：用户态中断139

11.7 “P”标准扩展：紧缩SIMD 指令139

11.8 “Q”标准扩展：四倍精度浮点140

11.9 结语140

附录A RISC-V 指令列表 141

附录B 把RISC-V 直译到其他ISA 187

索引195