20年前，準(zhǔn)確地說是2001年7月和2002年9月，嵌入式CPU“方舟一號”和通用CPU“龍芯一號”相繼發(fā)布，分別在嵌入式和通用CPU領(lǐng)域結(jié)束了我國無芯歷史。方舟一號設(shè)計(jì)用途是網(wǎng)絡(luò)通信處理器，因?yàn)闊o需軟件生態(tài)，也不追求通用性能，所以自己設(shè)計(jì)了指令集。龍芯一號的目標(biāo)是桌面計(jì)算機(jī)，軟件生態(tài)很重要，各種各樣的應(yīng)用軟件更需要CPU具有均衡的通用性能，于是采用了當(dāng)時(shí)在高性能服務(wù)器中使用較多的MIPS III指令集。

　　這兩款CPU在不同的領(lǐng)域代表著我國自主CPU的第一步，承載著一段歷史，承載著發(fā)展自主CPU技術(shù)的希望。但我更感興趣的是它們的技術(shù)特點(diǎn)和差異，想要弄明白為什么方舟一號分明誕生得更早，但結(jié)束“只能使用進(jìn)口CPU制造計(jì)算的歷史”的卻是龍芯一號。人云亦云不是我的風(fēng)格，我的疑惑只能自己解決。這兩款CPU太老了，資料很難查找，但我還是成功收集到了足夠的信息，終于弄明白了這個(gè)問題。

　　下面我先把它們的一些參數(shù)列一個(gè)表格，然后再細(xì)細(xì)說明它們的特點(diǎn)和差異。

　　兩者封裝大小差不多，但方舟一號的管腳數(shù)量更多，這是因?yàn)樗乔度胧皆O(shè)計(jì)，許多的設(shè)備管理功能都集成在芯片內(nèi)部，更多的引腳可以直聯(lián)更多類型的的外部設(shè)備和低速總線。龍芯一號因?yàn)橹瞥滔鄬ο冗M(jìn)一些，并且作為通用CPU不需在芯片內(nèi)部集成各種附加功能，頻率更高反而功耗更低。緩存大小兩者一樣，功耗也差不多，整數(shù)性能看起來也差不多，那為什么仍然說方舟是嵌入式CPU，而龍芯是通用CPU呢？

　　兩者的整數(shù)性能雖然看起來接近，但實(shí)際的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)卻不相同。方舟一號是設(shè)計(jì)為處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的嵌入式CPU，要求低成本低功耗，因此設(shè)計(jì)十分簡化，比如指令集中沒有包含除法指令，只支持加、減、乘的整數(shù)計(jì)算，除法和余數(shù)計(jì)算都只能用軟件方式處理。所以說方舟一號的200MIPS指標(biāo)是不包含除法的，這在當(dāng)時(shí)也是許多嵌入式CPU都有的特征。方舟一號與當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)的嵌入式CPU共有特征還包括不支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算，以及不像通用CPU那樣通過動態(tài)調(diào)度、亂序執(zhí)行、分支預(yù)測等方式來提高程序的運(yùn)行效率。

　　后來的方舟二號和一號相比，在設(shè)計(jì)上區(qū)別不大，主要還是通過使用更先進(jìn)的工藝制程，改進(jìn)物理設(shè)計(jì)來提高工作頻率。二號的主頻達(dá)到了400MHz，但指令集仍然只有78條指令。而龍芯一號則完整地實(shí)現(xiàn)了MIPS III的全部指令，在設(shè)計(jì)上也是以通用CPU為目標(biāo)。MIPS架構(gòu)（指令集）的資料比較多，不需要詳細(xì)說明，方舟架構(gòu)的資料很少，我也是偶然從一個(gè)網(wǎng)友那里得到了它的指令集參考手冊。通過對方舟指令集手冊的閱讀，并與龍芯一號進(jìn)行比較，我總算明白了方舟不適合作為通用CPU的原因。

　　首先是特權(quán)等級，方舟架構(gòu)并沒有像通用CPU那樣進(jìn)行特權(quán)指令和用戶指令的區(qū)分，也就是說應(yīng)用軟件可以為所欲為，只有在軟件完全可控的嵌入式環(huán)境中，才可以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。方舟架構(gòu)雖然分為用戶模式和監(jiān)督模式，但監(jiān)督模式只是用于處理異常和中斷，與安全無關(guān)。龍芯一號除了實(shí)現(xiàn)了MIPS-III中定義的特權(quán)等級之外，還額外地實(shí)現(xiàn)了抵御緩沖區(qū)溢出類攻擊的硬件安全設(shè)計(jì)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全具有較高的保障。

　　然后是指令集的設(shè)計(jì)，為了降低CPU的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少晶體管數(shù)量，方舟架構(gòu)總共只有78條指令。雖然遠(yuǎn)不如通用CPU指令集豐富，但與其它的嵌入式CPU相比則是同一水平。方舟架構(gòu)也是繼承了RISC思想的典型設(shè)計(jì)，指令字長32位，有32個(gè)通用寄存器，內(nèi)存訪問是Load/Store的模式，其它指令的操作數(shù)都來自寄存器和立即數(shù)，而不直接訪問內(nèi)存。下圖是方舟指令集參考手冊中的指令列表，從圖中可以看到許多適用于嵌入式而不適用于通用CPU的指令設(shè)計(jì)。

1. 立即數(shù)（直接寫在代碼中的數(shù)字）加載只支持21bit的無符號數(shù)，而沒有加載有符號立即數(shù)據(jù)的指令。有符號數(shù)只能先放在內(nèi)存中，再用Load類指令加載到寄存器，對于有大量立即數(shù)參與的計(jì)算，運(yùn)行效率偏低。

2. 直接跳轉(zhuǎn)指令支持兩種尋址方式，J指令跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址由21bit有符號立即數(shù)直接指定，這種在代碼中固化絕對地址的跳轉(zhuǎn)方式，只在嵌入式應(yīng)用中才會出現(xiàn)。JA指令的寄存器+偏移量尋址倒是通用處理器中常見的方式，但偏移量只支持10bit無符號數(shù)，偏移范圍很小，只有4K（1024<<2）字節(jié)。10bit的范圍是0~1023，僅1K字節(jié)大小，但由于指令字長32bit（4字節(jié)），指令會隱含地把立即數(shù)左移2bit，因此實(shí)際范圍擴(kuò)大了4倍。4K長度可以適用于簡單的嵌入式程序，但桌面程序需要的跳轉(zhuǎn)范圍一般要大得多，如果要適應(yīng)復(fù)雜的桌面應(yīng)用程序，就需要接力跳轉(zhuǎn)。

3. Branch類是分支跳轉(zhuǎn)指令，也就是根據(jù)大于、小于等各種條件跳轉(zhuǎn)到不同的代碼分支。但跳轉(zhuǎn)的偏移范圍是用10bit的有符號立即數(shù)表示的，有效范圍是±2K字節(jié)（512<<2），對于桌面應(yīng)用程序來說這個(gè)跳轉(zhuǎn)偏移范圍太小了。MIPS III的分支跳轉(zhuǎn)范圍是16bit有符號數(shù)，范圍是±128K字節(jié)，對于20年前的應(yīng)用程序還夠用，到了現(xiàn)在就成了影響程序性能的因素之一。

4. 方舟架構(gòu)的整數(shù)運(yùn)算指令只有4個(gè)，其中加法分為寄存器加寄存器和寄存器加立即數(shù)兩條指令，乘法和減法各一條，沒有支持立即數(shù)的格式。實(shí)際程序中有大量的使用固定數(shù)字參與計(jì)算的表達(dá)式，在方舟架構(gòu)以及其它類似架構(gòu)的CPU上，就需要從內(nèi)存中把數(shù)字讀入寄存器再進(jìn)行計(jì)算，比常見的通用CPU要多花費(fèi)一條指令。而且沒有除法指令，所有的除法和余數(shù)計(jì)算都要使用軟件方式來處理，比如最簡單的軟件除法就是用被除數(shù)減去除數(shù)，把結(jié)果再賦值給被除數(shù)，在循環(huán)中統(tǒng)計(jì)減了多少次之后結(jié)果為負(fù)數(shù)，次數(shù)減一就是商。雖然算法很簡單，但完成這樣一次循環(huán)至少需要十幾條指令，循環(huán)多少次需要執(zhí)行的指令數(shù)就翻多少倍，而硬件除法只需要一條指令。雖然可以優(yōu)化軟件除法的代碼，但仍然會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬件指令的效率。在簡單的嵌入式程序中這種效率是可以接受的，不過如果與通用CPU相比，即使80286這樣古老的CPU，也是有硬件除法指令的。在當(dāng)時(shí)，不只是方舟，還有許多同類的嵌入式CPU也是這樣的設(shè)計(jì)。

5. 缺少浮點(diǎn)指令，這也是當(dāng)時(shí)各種嵌入式CPU的共同點(diǎn)。因?yàn)椴恢С只镜母↑c(diǎn)加減乘除，那么更高級的三角函數(shù)、對數(shù)、指數(shù)等各種與浮點(diǎn)計(jì)算相關(guān)的指令也是不存在的。缺少硬件浮點(diǎn)計(jì)算的能力對于嵌入式CPU不是問題，無論是路由器、交換機(jī)這類網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，還是電子詞典、學(xué)習(xí)機(jī)這樣的消費(fèi)產(chǎn)品，都不需要進(jìn)行大量浮點(diǎn)計(jì)算，使用軟件浮點(diǎn)就能滿足要求。但在2000年之后，沒有硬件浮點(diǎn)的CPU已經(jīng)不可能用于通用計(jì)算設(shè)備，即使386都可以額外配置387浮點(diǎn)協(xié)處理器，486的滿血版本已內(nèi)置了浮點(diǎn)單元，何況當(dāng)時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了Pentium 4的時(shí)代，桌面環(huán)境中大量的圖形圖像計(jì)算都非?？简?yàn)CPU浮點(diǎn)計(jì)算的能力。在Linux命令行下工作的專業(yè)軟件雖然不需要軟件界面，但在科研領(lǐng)域?qū)Ω↑c(diǎn)計(jì)算的性能要求卻遠(yuǎn)高于普通的桌面軟件，作為通用處理器的龍芯一號雖然有不弱的硬件浮點(diǎn)性能，但事實(shí)上也滿足不了當(dāng)時(shí)對CPU性能的要求，畢竟龍芯一號只有相當(dāng)于Pentium 2的性能，與當(dāng)時(shí)Intel最高性能CPU差距極大。

6. 方舟架構(gòu)的其它指令在當(dāng)時(shí)也同樣都只能適用于嵌入式應(yīng)用場景，主要是指令的數(shù)量太少，有許多較復(fù)雜的計(jì)算必須分拆成多條指令來執(zhí)行，無法高效地運(yùn)行通用應(yīng)用程序。只是單從指令集分析，我無法確切知道方舟一號與龍芯一號的性能差距。其實(shí)把它們倆放在一起對比性能是不公平的，因?yàn)榉街垡惶柋旧砭褪菫榍度胧綉?yīng)用而設(shè)計(jì)，并不擅長通用計(jì)算，假如測試程序中有大量除法和浮點(diǎn)計(jì)算，或者邏輯比較復(fù)雜有大量的條件判斷和分支跳轉(zhuǎn)，方舟的弱勢就會非常明顯。

7. 方舟一號除了在指令集方面不能承載通用應(yīng)用，在CPU的設(shè)計(jì)上也盡量簡化，比如龍芯一號中那些現(xiàn)代通用CPU的特征，方舟一號就沒有。但方舟一號屬于嵌入式CPU的大量特征也是龍芯一號沒有的，比如SoC擴(kuò)展能力、功耗管理單元、定時(shí)器單元、片上系統(tǒng)總線和設(shè)備總線等等，都表現(xiàn)出方舟一號是一款設(shè)計(jì)成熟的嵌入式CPU，能夠滿足當(dāng)時(shí)國內(nèi)對嵌入式CPU的大部分要求。

　　一年半之后的方舟二號也使用了0.18um的制程，通過更好的工藝和改進(jìn)的設(shè)計(jì)把功耗降低了四分之三，也就是300mW的樣子，頻率則達(dá)到了400MHz，加上把指令緩存和數(shù)據(jù)緩存增加一倍，CPU整體性能估計(jì)應(yīng)是方舟一號的2.5倍左右。這與方舟架構(gòu)參考手冊中提到的目標(biāo)相符：“The instruction set was designed to allow a very small with very low power consumption, yet highperformance implementation. ”——該指令集的設(shè)計(jì)允許一個(gè)非常小、功耗非常低但性能很高的實(shí)現(xiàn)。只可惜方舟3號沒有繼續(xù)完成，方舟的領(lǐng)頭人自己放棄了，沒有堅(jiān)持到底！??！

　　從資料中我明白了方舟系列CPU確實(shí)是專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)，無法作為通用CPU使用。而龍芯一號無論是指令集還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都是以通用CPU為目標(biāo)，雖然性能只相當(dāng)于Pentium 2，但確實(shí)能夠適用于各種應(yīng)用場景，運(yùn)行任何應(yīng)用程序都沒有明顯的短板。能夠用來制造包括PC在內(nèi)的通用計(jì)算設(shè)備，大概就是“通用”的本意。后來的龍芯二號性能達(dá)到了龍芯一號的3~5倍，雖然仍然與當(dāng)時(shí)的主流CPU有很大差距，但在一些對性能要求不高的場合也有了成批量的使用。當(dāng)前龍芯最新型號3A5000的性能已經(jīng)踏進(jìn)了主流CPU的門檻，并使用了自主設(shè)計(jì)的LoongArch架構(gòu)（指令集），龍芯CPU的軟件生態(tài)也在有序發(fā)展，終于堅(jiān)持到了朝陽升起。

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