考古20年前的國產CPU：方舟一號和龍芯一號

20年前，準確地說是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」相繼釋出，分別在嵌入式和通用CPU領域結束了我國無芯歷史。方舟一號設計用途是網路通訊處理器，因為無需軟體生態，也不追求通用效能，所以自己設計了指令集。龍芯一號的目標是桌面計算機，軟體生態很重要，各種各樣的應用軟體更需要CPU具有均衡的通用效能，於是採用了當時在高效能伺服器中使用較多的MIPS III指令集。

這兩款CPU在不同的領域代表著我國自主CPU的第一步，承載著一段歷史，承載著發展自主CPU技術的希望。但我更感興趣的是它們的技術特點和差異，想要弄明白為什麼方舟一號分明誕生得更早，但結束「只能使用進口CPU製造計算的歷史」的卻是龍芯一號。人云亦云不是我的風格，我的疑惑只能自己解決。這兩款CPU太老了，資料很難查詢，但我還是成功收集到了足夠的資訊，終於弄明白了這個問題。

下面我先把它們的一些參數列一個表格，然後再細細說明它們的特點和差異。

兩者封裝大小差不多，但方舟一號的管腳數量更多，這是因為它是嵌入式設計，許多的裝置管理功能都整合在晶片內部，更多的引腳可以直聯更多類型的的外部裝置和低速匯流排。龍芯一號因為製程相對先進一些，並且作為通用CPU不需在晶片內部整合各種附加功能，頻率更高反而功耗更低。快取大小兩者一樣，功耗也差不多，整數效能看起來也差不多，那為什麼仍然說方舟是嵌入式CPU，而龍芯是通用CPU呢？

兩者的整數效能雖然看起來接近，但實際的評價標準卻不相同。方舟一號是設計為處理網路資料的嵌入式CPU，要求低成本低功耗，因此設計十分簡化，比如指令集中沒有包含除法指令，只支援加、減、乘的整數計算，除法和餘數計算都只能用軟體方式處理。所以說方舟一號的200MIPS指標是不包含除法的，這在當時也是許多嵌入式CPU都有的特徵。方舟一號與當時絕大多數的嵌入式CPU共有特徵還包括不支援硬體浮點運算，以及不像通用CPU那樣通過動態排程、亂序執行、分支預測等方式來提高程式的運行效率。

後來的方舟二號和一號相比，在設計上區別不大，主要還是通過使用更先進的工藝製程，改進物理設計來提高工作頻率。二號的主頻達到了400MHz，但指令集仍然只有78條指令。而龍芯一號則完整地實現了MIPS III的全部指令，在設計上也是以通用CPU為目標。MIPS架構（指令集）的資料比較多，不需要詳細說明，方舟架構的資料很少，我也是偶然從一個網友那裡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，並與龍芯一號進行比較，我總算明白了方舟不適合作為通用CPU的原因。

首先是特權等級，方舟架構並沒有像通用CPU那樣進行特權指令和使用者指令的區分，也就是說應用軟體可以為所欲為，只有在軟體完全可控的嵌入式環境中，才可以保證整個系統的安全性。方舟架構雖然分為使用者模式和監督模式，但監督模式只是用於處理異常和中斷，與安全無關。龍芯一號除了實現了MIPS-III中定義的特權等級之外，還額外地實現了抵禦緩衝區溢位類攻擊的硬體安全設計，整個計算機系統的安全具有較高的保障。

然後是指令集的設計，為了降低CPU的設計複雜度，減少電晶體數量，方舟架構總共只有78條指令。雖然遠不如通用CPU指令集豐富，但與其它的嵌入式CPU相比則是同一水平。方舟架構也是繼承了RISC思想的典型設計，指令字長32位，有32個通用寄存器，記憶體訪問是Load/Store的模式，其它指令的操作數都來自寄存器和立即數，而不直接訪問記憶體。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於嵌入式而不適用於通用CPU的指令設計。

立即數（直接寫在程式碼中的數字）載入只支援21bit的無符號數，而沒有載入有符號立即資料的指令。有符號數只能先放在記憶體中，再用Load類指令載入到寄存器，對於有大量立即數參與的計算，運行效率偏低。直接跳轉指令支援兩種定址方式，J指令跳轉目標地址由21bit有符號立即數直接指定，這種在程式碼中固化絕對地址的跳轉方式，只在嵌入式應用中才會出現。JA指令的寄存器+偏移量定址倒是通用處理器中常見的方式，但偏移量只支援10bit無符號數，偏移範圍很小，只有4K（1024<<2）位元組。10bit的範圍是0~1023，僅1K位元組大小，但由於指令字長32bit（4位元組），指令會隱含地把立即數左移2bit，因此實際範圍擴大了4倍。4K長度可以適用於簡單的嵌入式程式，但桌面程式需要的跳轉範圍一般要大得多，如果要適應複雜的桌面應用程式，就需要接力跳轉。Branch類是分支跳轉指令，也就是根據大於、小於等各種條件跳轉到不同的程式碼分支。但跳轉的偏移範圍是用10bit的有符號立即數表示的，有效範圍是±2K位元組（512<<2），對於桌面應用程式來說這個跳轉偏移範圍太小了。MIPS III的分支跳轉範圍是16bit有符號數，範圍是±128K位元組，對於20年前的應用程式還夠用，到了現在就成了影響程式效能的因素之一。方舟架構的整數運算指令只有4個，其中加法分為寄存器加寄存器和寄存器加立即數兩條指令，乘法和減法各一條，沒有支援立即數的格式。實際程式中有大量的使用固定數字參與計算的表示式，在方舟架構以及其它類似架構的CPU上，就需要從記憶體中把數字讀入寄存器再進行計算，比常見的通用CPU要多花費一條指令。而且沒有除法指令，所有的除法和餘數計算都要使用軟體方式來處理，比如最簡單的軟體除法就是用被除數減去除數，把結果再賦值給被除數，在迴圈中統計減了多少次之後結果為負數，次數減一就是商。雖然演算法很簡單，但完成這樣一次迴圈至少需要十幾條指令，迴圈多少次需要執行的指令數就翻多少倍，而硬體除法只需要一條指令。雖然可以優化軟體除法的程式碼，但仍然會遠遠低於硬體指令的效率。在簡單的嵌入式程式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，也是有硬體除法指令的。在當時，不只是方舟，還有許多同類的嵌入式CPU也是這樣的設計。缺少浮點指令，這也是當時各種嵌入式CPU的共同點。因為不支援基本的浮點加減乘除，那麼更高階的三角函數、對數、指數等各種與浮點計算相關的指令也是不存在的。缺少硬體浮點計算的能力對於嵌入式CPU不是問題，無論是路由器、交換機這類網路通訊裝置，還是電子詞典、學習機這樣的消費產品，都不需要進行大量浮點計算，使用軟體浮點就能滿足要求。但在2000年之後，沒有硬體浮點的CPU已經不可能用於通用計算裝置，即使386都可以額外配置387浮點協處理器，486的滿血版本已內建了浮點單元，何況當時已經進入了Pentium 4的時代，桌面環境中大量的圖形影象計算都非常考驗CPU浮點計算的能力。在Linux命令列下工作的專業軟體雖然不需要軟體介面，但在科研領域對浮點計算的效能要求卻遠高於普通的桌面軟體，作為通用處理器的龍芯一號雖然有不弱的硬體浮點效能，但事實上也滿足不了當時對CPU效能的要求，畢竟龍芯一號只有相當於Pentium 2的效能，與當時Intel最高效能CPU差距極大。方舟架構的其它指令在當時也同樣都只能適用於嵌入式應用場景，主要是指令的數量太少，有許多較複雜的計算必須分拆成多條指令來執行，無法高效地運行通用應用程式。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效能差距。其實把它們倆放在一起對比效能是不公平的，因為方舟一號本身就是為嵌入式應用而設計，並不擅長通用計算，假如測試程式中有大量除法和浮點計算，或者邏輯比較複雜有大量的條件判斷和分支跳轉，方舟的弱勢就會非常明顯。方舟一號除了在指令集方面不能承載通用應用，在CPU的設計上也儘量簡化，比如龍芯一號中那些現代通用CPU的特徵，方舟一號就沒有。但方舟一號屬於嵌入式CPU的大量特徵也是龍芯一號沒有的，比如SoC擴展能力、功耗管理單元、定時器單元、片上系統匯流排和裝置匯流排等等，都表現出方舟一號是一款設計成熟的嵌入式CPU，能夠滿足當時國內對嵌入式CPU的大部分要求。

一年半之後的方舟二號也使用了0.18um的製程，通過更好的工藝和改進的設計把功耗降低了四分之三，也就是300mW的樣子，頻率則達到了400MHz，加上把指令快取和資料快取增加一倍，CPU整體效能估計應是方舟一號的2.5倍左右。這與方舟架構參考手冊中提到的目標相符：「The instruction set was designed to allow a very small with very low power consumption, yet highperformance implementation. 」——該指令集的設計允許一個非常小、功耗非常低但效能很高的實現。只可惜方舟3號沒有繼續完成，方舟的領頭人自己放棄了，沒有堅持到底！！！

從資料中我明白了方舟系列CPU確實是專為嵌入式應用而設計，無法作為通用CPU使用。而龍芯一號無論是指令集還是結構設計，都是以通用CPU為目標，雖然效能只相當於Pentium 2，但確實能夠適用於各種應用場景，運行任何應用程式都沒有明顯的短板。能夠用來製造包括PC在內的通用計算裝置，大概就是「通用」的本意。後來的龍芯二號效能達到了龍芯一號的3~5倍，雖然仍然與當時的主流CPU有很大差距，但在一些對效能要求不高的場合也有了成批量的使用。當前龍芯最新型號3A5000的效能已經踏進了主流CPU的門檻，並使用了自主設計的LoongArch架構（指令集），龍芯CPU的軟體生態也在有序發展，終於堅持到了朝陽升起。