MACPU-ISA

发表于 2023-02-16 更新于 2025-09-09 分类于个人项目， FPGA ， FPGA ， MACPU

——近朱者赤，近墨者黑

有关MACPU ISA的具体设计，可以参见MACPU-FPGA仓库中的Instruction.md

CPU，从功能而言，是很简单的：能够按部就班地顺序执行运算步骤，括弧，如果性能再高点就好了。如果仅考虑按部就班地执行运算步骤，那么世界很美好——最古老的CPU被设计出来的时候，就使用来干这个的，显然，类似于Intel 4004之流的CPU也不可能有太高的性能，对比如今动辄数吉赫兹频率的CPU，其最高工作频率（740KHz）是在是太不够看了。

一般来说，要设计一款CPU，首先要决定其可以执行的指令。这些指令的数量一般会有很多，不过，我们也可以仅使用个位数的指令来设计一款CPU，但是那将会为配套的编译器带来一些问题。这些指令的集合就是指令集架构，它解决了CPU可以做什么的问题。但是对于一款CPU，仅有指令集架构是不够的，我们还需要提供一些其它的信息：

指令的编码格式：CPU是无法直接理解人的语言的。如果你对它说，告诉我1 + 1等于几，它是玩玩无法做出回应的。它只能理解数字信号：0、1和它们的组合。因此，我们需要将每一条指令翻译成0、1和它们的组合，而如何进行翻译则完全由设计者决定。
寄存器：寄存器是CPU中用来临时存储数据的东西。受限于电路实现，这些东西的存在是必须的。
异常处理：当CPU发现错误的时候，应该做出怎样的反应？错误将会被如何进行处理？由此引发的一系列问题直接关系到CPU工作是否稳定。
中断：当发生突发事件时，CPU应该怎样应对？
……

这一些列的信息，就可以开始规划CPU，把问题由做什么进一步地推进到需要怎么做。这些信息，像一个框架，为CPU的具体实现提供了重要参考依据，我们一般称其为“ISA”，即Instruction-Set Architecture，指令集体系结构。

由于ISA将会牵扯到很多方面的具体实现，因此，在设计ISA时就应该同时考虑到这些因素。一个设计得足够好的ISA一定可以帮助同时统筹软件实现和物理逻辑实现的各方各面。可以说，ISA才是整个CPU和系统实现的灵魂，所以在开始设计ISA时就下足够的功夫无疑是一件值得的事情。

在实际设计ISA时，以我个人的经验而言，时长需要考虑如下问题：

是使用简单的物理实现，简单的指令集，配合复杂的编译器优化，还是使用复杂的物理实，复杂的指令集，现配合简单的编译器优化？
对于一条具体的指令，当有多种具体的物理实现方法时，应该怎么选择？
面对持续增长的算力需求，在更新换代CPU时，应该如何保持ISA的兼容性，并且添加新的东西？
……

CPU发展的路程走过了五十甚至六十年，而各大团体，公司和组织对这些问题都已经有了深入的研究，目前，大家普遍认为RISC（精简指令集）的执行效率要明显高于CISC（复杂指令集），在这方面，走在世界前列的无疑是RISC-V，其极低的功耗，完全开源的设计理念正在引来世界各大公司的广泛关注。