简单讲讲RISC-V指令集CPU的参数

第二代CPU新鲜出炉。

下面简单讲讲该CPU的参数。

CPU芯片封装全貌

本次CPU采用32位RISC-V指令集架构（一代是自己瞎编指令集）。指令集就是程序指令的集合，指引硬件如何设计、如何运行。不同指令集的CPU运行的程序是不同的，相同的指令集的CPU则基本可以兼容为此指令集编写的程序。目前主流的指令集有电脑中的x86和手机中的ARM。RISC-V作为一种新兴的指令集架构，它汲取了之前的指令集的架构的优缺点，有着先天的优势。此外，它不同于老牌指令集架构，没有需要为前代软件兼容的困扰，可以说是无病一身轻，整个架构轻盈简单却又高效。

第二级流水线

采用6级流水线设计（一代是单周期设计，可以理解成一级流水线）。流水线设计是CPU设计的一大难点，开始设计之初我曾考虑是否真的要直接上5级经典流水线（一位学长曾劝我再改进一次单周期CPU），最后竟然还多设计出了1级流水线。我先解释一下流水线是什么。CPU中有很多部件（这些部件不一定有很清楚的边界并且不一定是处于一个集中的位置），例如译码器（将指令翻译成控制信号）、寄存器组（存放数据），ALU（计算单元）和存储控制单元（控制读取和写入数据）等等。单周期CPU执行一条指令需要一个周期，在这整个周期中执行指令需要分别用到上面所说的所有部件，用是都要用，但是在本周期的一个时间段中至多只能用到一个单元，那么这段时间中总有别的单元被闲置了，而这些单元是线性排布的，在用寄存器组之前必须先经过译码器解码，经过ALU之前必须从寄存器组中读取数据……比如说：一个时钟周期是1s。译码占0.2s，从寄存器中读数占0.2s，计算占0.4s，写回数据占0.2s，加起来一共是1s。

如果我们每周期只用一个单元，让多个指令依次使用这些单元，那么就可以极大提高CPU的执行速度，这就是流水线技术。那么时钟周期就缩短至0.4s（与耗时最长的那一步时间齐平），其中译码占0.2s，从寄存器中读数占0.2s，计算占0.4s，写回数据占0.2s。我们发现时钟周期可以变短了，也就是频率变高了，处理速度变快了。

其实听起来也没那么难嘛？考虑一下这个问题。假设第一条指令是把A寄存器中的数值和B寄存器的数值加起来放到C的寄存器里，第二条指令是把B寄存器的数值和C的寄存器的数值加起来放到A的寄存器中。那么第二个指令开始执行到ALU（计算单元）的前端的时候就会发现第二条指令要用的C的数值呢？哦，前一条指令还没算出C的数值，那怎么办?那第二条指令还不能执行。什么时候能执行？第一条指令算好的时候。第一条指令什么时候算好？不知道……反正一堆麻烦。而且大多数真实情况是前面有十几条指令要用C的数值，并且指令可能各不相同，有的是做做加法，有的可能是做做除法（异常耗时），有的甚至拿C寄存器的数值作为地址访问内存。你们可以想想这个问题要怎么解决。

多端口写入读取寄存器组

第二条指令要等第一条指令。这种情况又被叫作冲突（hazard），冲突又被分为寄存器冲突和结构冲突（好像是这两个词，意思领会到就行），这种属于寄存器冲突。刚才说到，第二条指令不能等第一条指令，那么我们需要一种特殊的信号控制无指令的单元，这种信号叫作空泡（bubble）。那么回过来想，虽然用了流水线，但是因为各种冲突，指令可能也不能好好执行几个。相反，可能由于这复杂的控制电路和更高的电路运行频率，功耗变高了，芯片面积变大了，好像适得其反。那么我们就要讲到第二代CPU的第二个亮点。

乱序执行。什么第二个指令不能执行？那第三个能吗？第三个可以！那就先执行第三个。这就是乱序执行的全部逻辑。看起来也很简单，但做起来确实不太容易。当时设计之初也在考虑是否要实现乱序执行，因为流水线的难度已经很大了，乱序执行再加下去难度简直要爆炸，但是我转念一想，如果流水线没有乱序执行，就像高楼没有电梯（原谅我贫穷的比喻），发挥不出任何优势。最后还是硬着头皮上了，竟然也成了……

CPU保留站（解决冲突的，乱序执行的重要位置）

除了上述所讲的亮点之外，还有一些先进之处。例如寄存器重命名、保留站、FIFO队列等等。之后会再细讲。


审核编辑：刘清