第二代CPU新鮮出爐。

下面簡單講講該CPU的參數。

CPU芯片封裝全貌

本次CPU采用32位RISC-V指令集架構（一代是自己瞎編指令集）。指令集就是程序指令的集合，指引硬件如何設計、如何運行。不同指令集的CPU運行的程序是不同的，相同的指令集的CPU則基本可以兼容為此指令集編寫的程序。目前主流的指令集有電腦中的x86和手機中的ARM。RISC-V作為一種新興的指令集架構，它汲取了之前的指令集的架構的優缺點，有著先天的優勢。此外，它不同于老牌指令集架構，沒有需要為前代軟件兼容的困擾，可以說是無病一身輕，整個架構輕盈簡單卻又高效。

第二級流水線

采用6級流水線設計（一代是單周期設計，可以理解成一級流水線）。流水線設計是CPU設計的一大難點，開始設計之初我曾考慮是否真的要直接上5級經典流水線（一位學長曾勸我再改進一次單周期CPU），最后竟然還多設計出了1級流水線。我先解釋一下流水線是什么。CPU中有很多部件（這些部件不一定有很清楚的邊界并且不一定是處于一個集中的位置），例如譯碼器（將指令翻譯成控制信號）、寄存器組（存放數據），ALU（計算單元）和存儲控制單元（控制讀取和寫入數據）等等。單周期CPU執行一條指令需要一個周期，在這整個周期中執行指令需要分別用到上面所說的所有部件，用是都要用，但是在本周期的一個時間段中至多只能用到一個單元，那么這段時間中總有別的單元被閑置了，而這些單元是線性排布的，在用寄存器組之前必須先經過譯碼器解碼，經過ALU之前必須從寄存器組中讀取數據……比如說：一個時鐘周期是1s。譯碼占0.2s，從寄存器中讀數占0.2s，計算占0.4s，寫回數據占0.2s，加起來一共是1s。

如果我們每周期只用一個單元，讓多個指令依次使用這些單元，那么就可以極大提高CPU的執行速度，這就是流水線技術。那么時鐘周期就縮短至0.4s（與耗時最長的那一步時間齊平），其中譯碼占0.2s，從寄存器中讀數占0.2s，計算占0.4s，寫回數據占0.2s。我們發現時鐘周期可以變短了，也就是頻率變高了，處理速度變快了。

其實聽起來也沒那么難嘛？考慮一下這個問題。假設第一條指令是把A寄存器中的數值和B寄存器的數值加起來放到C的寄存器里，第二條指令是把B寄存器的數值和C的寄存器的數值加起來放到A的寄存器中。那么第二個指令開始執行到ALU（計算單元）的前端的時候就會發現第二條指令要用的C的數值呢？哦，前一條指令還沒算出C的數值，那怎么辦?那第二條指令還不能執行。什么時候能執行？第一條指令算好的時候。第一條指令什么時候算好？不知道……反正一堆麻煩。而且大多數真實情況是前面有十幾條指令要用C的數值，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（異常耗時），有的甚至拿C寄存器的數值作為地址訪問內存。你們可以想想這個問題要怎么解決。

多端口寫入讀取寄存器組

第二條指令要等第一條指令。這種情況又被叫作沖突（hazard），沖突又被分為寄存器沖突和結構沖突（好像是這兩個詞，意思領會到就行），這種屬于寄存器沖突。剛才說到，第二條指令不能等第一條指令，那么我們需要一種特殊的信號控制無指令的單元，這種信號叫作空泡（bubble）。那么回過來想，雖然用了流水線，但是因為各種沖突，指令可能也不能好好執行幾個。相反，可能由于這復雜的控制電路和更高的電路運行頻率，功耗變高了，芯片面積變大了，好像適得其反。那么我們就要講到第二代CPU的第二個亮點。

亂序執行。什么第二個指令不能執行？那第三個能嗎？第三個可以！那就先執行第三個。這就是亂序執行的全部邏輯。看起來也很簡單，但做起來確實不太容易。當時設計之初也在考慮是否要實現亂序執行，因為流水線的難度已經很大了，亂序執行再加下去難度簡直要爆炸，但是我轉念一想，如果流水線沒有亂序執行，就像高樓沒有電梯（原諒我貧窮的比喻），發揮不出任何優勢。最后還是硬著頭皮上了，竟然也成了……

CPU保留站（解決沖突的，亂序執行的重要位置）

除了上述所講的亮點之外，還有一些先進之處。例如寄存器重命名、保留站、FIFO隊列等等。之后會再細講。


審核編輯：劉清