龍芯研發(fā)感悟

這是龍芯處理器主要設(shè)計(jì)人員胡偉武發(fā)布在中國(guó)科大BBS站[bbs.ustc.edu.cn]的兩篇文章，一年過(guò)去了，龍芯終于正式發(fā)布，回頭再讀讀這些文字，的確有一些別樣的滋味……

我們的CPU
胡偉武

我參與計(jì)算所的CPU開發(fā)項(xiàng)目，源于2000年10月一個(gè)偶然的機(jī)緣。10月中旬，所領(lǐng)導(dǎo)派我到我的母校中國(guó)科技大學(xué)去進(jìn)行招生宣傳。這是我1991年畢業(yè)后第一次回到母校。我回到了我原來(lái)工作過(guò)的實(shí)驗(yàn)室，十年前在那里，我曾經(jīng)和另外一個(gè)同學(xué)一起做過(guò)一個(gè)與8086指令級(jí)兼容的處理器作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。這是一個(gè)用400多個(gè)74LS系列的芯片搭起來(lái)的電路，能夠運(yùn)行8086指令系統(tǒng)中除了十進(jìn)制和除法指令以外的所有指令。由于沒有制版的費(fèi)用，所有的連線都是手工焊的。這次回去，我看到了我原來(lái)做的機(jī)器還靜靜地躺在那里。面對(duì)與十年前一樣凌亂的實(shí)驗(yàn)室和滿桌觸手可及的芯片、電容、電阻、電烙鐵，我有一種重操舊業(yè)的沖動(dòng)，因?yàn)槭昵澳切]日沒夜地與邏輯門、觸發(fā)器、譯碼器、選擇器玩命的日子有一種深深的誘惑，至今我還可以如數(shù)家珍地說(shuō)出好多當(dāng)前我用過(guò)的集成電路芯片的引腳定義。我想到了我們所正在籌備的CPU設(shè)計(jì)項(xiàng)目，于是我給我的師兄唐志敏打電話，他是計(jì)算所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)室的室主任，目前正負(fù)責(zé)計(jì)算所CPU設(shè)計(jì)項(xiàng)目的準(zhǔn)備工作。我開玩笑說(shuō)一、二年之內(nèi)不把通用操作系統(tǒng)boot起來(lái)，提頭來(lái)見。于是回計(jì)算所后，我就開始考慮CPU的指令系統(tǒng)和流水線等問題。

2001年8月19日，前蘇聯(lián)解體的十周年紀(jì)念日，我們?cè)O(shè)計(jì)的Godson CPU成功地把LINUX操作系統(tǒng)boot起來(lái)。當(dāng) “l(fā)ogin:” 的提示符出現(xiàn)在屏幕上時(shí)，計(jì)算所北樓309房間一片歡呼。到9月中旬，一個(gè)用我們自己設(shè)計(jì)的CPU的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)浮出水面，該系統(tǒng)運(yùn)行完整的LINUX操作系統(tǒng)， 內(nèi)核版本為2.4，可以做其他運(yùn)行LINUX操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)所支持的一切事情，包括運(yùn)行g(shù)cc編譯器，X-window視窗系統(tǒng)，WEB服務(wù)器，SPEC CPU2000基準(zhǔn)程序等。我們最引以為豪的還是該CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。可以說(shuō)目前世界上最先進(jìn)CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，該有的Godson都有，不少地方還有創(chuàng)新。雖然目前我們只是基于FPGA的設(shè)計(jì)，主頻也不高，但當(dāng)我們的CPU運(yùn)行到12.5MHz時(shí)，其性能已經(jīng)不比50MHz主頻的Intel 486差(當(dāng)然, 我們的主板比486主板要好)，確切地說(shuō)，浮點(diǎn)性能比486強(qiáng)一點(diǎn)，定點(diǎn)性能比486差。值得一提的是，當(dāng)我們用一個(gè)叫“偏執(zhí)狂(Paranoia)”的測(cè)試程序測(cè)試CPU的浮點(diǎn)部件是否符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，奔IV處理器測(cè)出了浮點(diǎn)不嚴(yán)格符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)而我們的CPU完全符合標(biāo)準(zhǔn)。此外，在Godson中還專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行了安全設(shè)計(jì)，可以有效防止利用緩沖區(qū)溢出技術(shù)進(jìn)行的攻擊。

應(yīng)該指出的是，我們只是完成了一個(gè)CPU的邏輯設(shè)計(jì)，目前是用FPGA對(duì)這個(gè)邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，只是一個(gè)階段性成果，還沒有進(jìn)行投片。用李所長(zhǎng)的話說(shuō)，“三分之二的工作還在后面”。如果我們對(duì)目前的工作沾沾自喜，那是很膚淺的。但即使是這個(gè)成果的取得，也來(lái)之不易。個(gè)中滋味，酸甜苦辣俱全，很難為外人所體會(huì)。回顧我們開發(fā)Godson處理器的過(guò)程，雖然不長(zhǎng)，但有教訓(xùn)，也有經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)一下，對(duì)以后的工作是有好處的。

我們做CPU設(shè)計(jì)緣起于所長(zhǎng)李國(guó)杰院士的直接推動(dòng)。李老師是我接觸過(guò)的院士中比較欽佩的一個(gè)，因?yàn)樗軌蛘驹谌绾伟l(fā)展整個(gè)國(guó)家的信息產(chǎn)業(yè)的角度來(lái)考慮問題，而不是一個(gè)局部的角度?，F(xiàn)在我慢慢知道，他推動(dòng)我們所做CPU設(shè)計(jì)是很不容易的。也許是由于前幾年計(jì)算所的反復(fù)折騰給人留下了不好的印象，使得很多人覺得計(jì)算所沒有能力做CPU，李老師最后只能把CPU設(shè)計(jì)作為一個(gè)計(jì)算所的所內(nèi)項(xiàng)目先做起來(lái)。我在計(jì)算所連讀書帶工作十來(lái)年，也是第一次體驗(yàn)到不用立項(xiàng)申請(qǐng)而直接開始做一個(gè)課題。CPU設(shè)計(jì)技術(shù)是核心技術(shù)，但市場(chǎng)壁壘很高，即使現(xiàn)在已經(jīng)投片出來(lái)很好的CPU，如果沒有人用就會(huì)走入以前“鑒定會(huì)就是追悼會(huì)”的怪圈。但我相信李老師在信息產(chǎn)業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)和影響力，所以決心做下去。

我的師兄唐志敏是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)室的室主任，他把握著整項(xiàng)工作的大局，領(lǐng)導(dǎo)整個(gè)CPU設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃。他的大度和謙和能夠把一批非常能干的年輕人團(tuán)結(jié)在一起，使大家互相之間從無(wú)猜忌?，F(xiàn)在在科技界有一種奇怪的現(xiàn)象，就是一個(gè)年輕人作出一些成果之后，就喜歡獨(dú)立門戶，結(jié)果造成了科研力量分散，干不成大事的局面。大家都在沾沾自喜地干一些幾十萬(wàn)或頂多是上百萬(wàn)的項(xiàng)目，形成不了很大的力量。在我們的項(xiàng)目組中，卻有一批本身也很厲害，能夠獨(dú)挑一攤的年輕人緊緊地團(tuán)結(jié)在一起，同心協(xié)力干一件事情，一個(gè)重要的原因是唐志敏是一個(gè)能夠容人的領(lǐng)導(dǎo)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在所里后來(lái)立的一個(gè)CPU設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中，我是項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，但包括項(xiàng)目申請(qǐng)書、每月一次的課題進(jìn)展?fàn)顩r及支出情況表、以及鑒定會(huì)材料等，我一個(gè)字也沒有寫過(guò)，全是唐志敏代勞，使我有90%以上的時(shí)間能夠用在編程和邏輯設(shè)計(jì)。這只是一件小事，但我在計(jì)算所十來(lái)年，見了不少下屬幫領(lǐng)導(dǎo)寫報(bào)告的事，卻從未見過(guò)領(lǐng)導(dǎo)幫下屬寫報(bào)告的。唐志敏在全局的把握和總體規(guī)劃上也是有獨(dú)到的見解，至少是我所不能及的。關(guān)于我們未來(lái)CPU的用途，我的主張是自己做高性能工作站，但做出來(lái)干什么以及如何與別人競(jìng)爭(zhēng)卻難說(shuō)，唐志敏卻非常有數(shù)，他說(shuō)現(xiàn)在我們所的軟件室正在做電子政務(wù)，以后結(jié)合在一起做，至少在安全方面是國(guó)外產(chǎn)品無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)的。我當(dāng)時(shí)覺得這種眼光真是“高瞻遠(yuǎn)矚、高屋建瓴”。

張志敏老師在我們的CPU設(shè)計(jì)中負(fù)責(zé)工程管理，他是李所長(zhǎng)請(qǐng)來(lái)的客座研究員。根據(jù)我們自己的分工，在我們?cè)O(shè)計(jì)CPU的隊(duì)伍中，唐志敏是總負(fù)責(zé)，我負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，張老師負(fù)責(zé)工程管理。張老師是責(zé)任心非常強(qiáng)的人，很義氣，工程經(jīng)驗(yàn)非常豐富。我最佩服張老師的有兩點(diǎn)，一是他把個(gè)人利益看得很輕，他放棄了原來(lái)工資更高的工作到我們這里來(lái)做這個(gè)事情；二是他做事情很實(shí)在、很專一。我有一個(gè)觀點(diǎn)，一個(gè)人一輩子做好一件事情都不容易，因此比較討厭一些一會(huì)兒這邊，一會(huì)而那邊，想兩邊都得好處的人。但張老師不是這樣的人，他做事情很實(shí)在。在我們基本完成Godson的邏輯設(shè)計(jì)后，需要一個(gè)模擬主板的環(huán)境，以便在邏輯設(shè)計(jì)上通過(guò)軟件模擬啟動(dòng)LINUX。我覺得這個(gè)事情很難，但張老師加班加點(diǎn)一兩個(gè)星期就寫出來(lái)了。我和張老師配合得非常好，簡(jiǎn)直是最佳搭檔。他工程經(jīng)驗(yàn)很豐富，我理論上強(qiáng)一點(diǎn)；做事情他比較穩(wěn)重，我比較偏激。在每周一上午的例會(huì)上，我布置完本周的工作后，總要慷慨激昂地動(dòng)員一番，張老師總是要擺一些困難潑潑冷水，真是一張一弛。以致于有一次他不潑冷水了，大家都不習(xí)慣。

雖然我們所籌備CPU設(shè)計(jì)已經(jīng)由來(lái)以久(從2000年初就開始做預(yù)研)，討論了許多輪。但我們真正開始動(dòng)手設(shè)計(jì)是2000年11月。剛開始是唐志敏和我領(lǐng)著七、八個(gè)研究生做系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是確定指令系統(tǒng)以及流水線結(jié)構(gòu)。在開始設(shè)計(jì)之初，李所長(zhǎng)在全所會(huì)議上就定了“高性能、通用、一步到位”的目標(biāo)。后來(lái)，唐志敏和我又確定了兼容以及采用RISC結(jié)構(gòu)這兩個(gè)具體目標(biāo)。當(dāng)時(shí)雖然IA-64結(jié)構(gòu)炒得挺熱，但我們還是決定采用RISC結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在看來(lái)，這是對(duì)的。指令系統(tǒng)我開始建議與Alpha兼容，但唐志敏定為與MIPS兼容。說(shuō)實(shí)在的，從2000年11月到2001年4月這段時(shí)間，我對(duì)CPU這個(gè)項(xiàng)目還不夠重視，因?yàn)槲以瓉?lái)做機(jī)群及共享存儲(chǔ)系統(tǒng)也做得挺有意思。在這段時(shí)間里，我自己還花一部分時(shí)間在做機(jī)群方面的事情，寫了一些論文，4月底還到美國(guó)開了一個(gè)并行處理方面的國(guó)際會(huì)議。5月初從美國(guó)回來(lái)后開始全力投入做CPU設(shè)計(jì)。由于時(shí)間緊，在確定流水線結(jié)構(gòu)時(shí)，沒有看多少論文也沒有做多少實(shí)驗(yàn)，主要是憑感覺和過(guò)去的積累，遇到權(quán)衡得失確定不了的事情，就與唐志敏討論讓他定奪。不過(guò)，現(xiàn)在回過(guò)頭去看，由于當(dāng)時(shí)沒有參考別人的方案，也就少一些禁錮?，F(xiàn)在有了一點(diǎn)時(shí)間開始看別人的做法，發(fā)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的基于操作隊(duì)列復(fù)用的動(dòng)態(tài)指令流水線還是很先進(jìn)的，有不少創(chuàng)新點(diǎn)，我自己覺得比MIPS R10000的指令流水線要強(qiáng)。

我們的工作真正全面鋪開是在五一放假上班后。一方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，用C語(yǔ)言寫的模擬器已經(jīng)差不多了，可以運(yùn)行簡(jiǎn)單的指令和短程序了。另一方面，6月份突然接到所里的通知說(shuō)今年10月份45周年所慶要展示我所在CPU設(shè)計(jì)方面的成果。從6月開始，我們開始了夜以繼日的三個(gè)月。在此期間，隊(duì)伍迅速擴(kuò)大，現(xiàn)在已經(jīng)有三、五十人。雖然只是一個(gè)邏輯設(shè)計(jì)，能夠在三個(gè)月內(nèi)從無(wú)到有地設(shè)計(jì)出完整的通用CPU，我自己也覺得吃驚?，F(xiàn)在回想起來(lái)，成功的原因有三條，一是技術(shù)路線正確，二是有一支高素質(zhì)而玩命的隊(duì)伍，三是計(jì)算所良好的環(huán)境和雄厚的技術(shù)儲(chǔ)備。教訓(xùn)有兩條，一是工程經(jīng)驗(yàn)不足，初期管理不善；二是不重視工具。

我覺得，我們的技術(shù)路線在三個(gè)方面是很成功的。一是所長(zhǎng)關(guān)于高性能通用CPU的定位。不少人認(rèn)為，處理器最大的市場(chǎng)在嵌入式方面，中國(guó)的處理器設(shè)計(jì)應(yīng)該定位在嵌入式上，沒必要或沒能力做通用處理器設(shè)計(jì)。誠(chéng)然，嵌入式處理器的需求量很大，但大市場(chǎng)不一定能賺錢，小市場(chǎng)有時(shí)反而能賺大錢，因?yàn)楹笳呤呛诵募夹g(shù)，別人做不了。Intel就是一個(gè)典型的例子，Intel處理器數(shù)量也只占全球市場(chǎng)的1.5%。其次，中國(guó)不是小國(guó)，核心技術(shù)自己不掌握不行。我倒是覺得象嵌入式處理器這樣的東西可做可不做，因?yàn)閯e人的嵌入式處理器價(jià)格很低，且不會(huì)卡我們。有的國(guó)外公司甚至主動(dòng)提出，只要我們用他們的生產(chǎn)線，他們可以免費(fèi)提供嵌入式的IP核。至于有人覺得我們做不了高性能通用處理器，我的回答是用我們自己的處理器做出一臺(tái)曙光機(jī)來(lái)再說(shuō)。雖然我們做高性能通用處理器上還很落后，但我覺得我們現(xiàn)在的條件比當(dāng)年計(jì)算所做757和8920好得多，工具要好得多，工作量要小得多。任何事情，關(guān)鍵是要有人靜下心來(lái)認(rèn)真地去做。

我們?cè)诩夹g(shù)路線上第二個(gè)成功之處是兼容。回顧中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史，應(yīng)該說(shuō)，我們的“祖上”也是挺“闊”的，直到80年代初，我們的處理器設(shè)計(jì)技術(shù)不比人家差多少。落到今天這個(gè)地步，很大程度上是吃了不兼容的虧。因?yàn)楝F(xiàn)在計(jì)算機(jī)中絕大部分費(fèi)用不是花在硬件上，而是花在軟件上。自己設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，只能圖一時(shí)痛快；與其它主流指令系統(tǒng)兼容，確實(shí)很麻煩，有時(shí)為了一條指令就得修改數(shù)據(jù)通路，增加不少東西，但卻可以一勞永逸。在我們組里，有一個(gè)很精干的操作系統(tǒng)組，才四個(gè)人，在3個(gè)月內(nèi)搞定一切與軟件有關(guān)的東西，包括BIOS、LINUX 2.4內(nèi)核、gcc編譯器、X-window、調(diào)試工具、Web Server等等，就是得益于我們的兼容設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這四個(gè)人都是絕對(duì)的LINUX高手。我們甚至做到與別人的處理器引腳級(jí)兼容，只要把別人的拔下來(lái)，自己的插上去就行。因此，目前主板也是用別人的。當(dāng)然現(xiàn)在我們也在做主板設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀円院笙胱鯥nfinite Band，不掌握主板技術(shù)不行。

我們?cè)诩夹g(shù)路線上第三個(gè)成功之處是穩(wěn)扎穩(wěn)打的設(shè)計(jì)方法。即從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到C模擬器設(shè)計(jì)，到Verilog仿真，到FPGA驗(yàn)證，到標(biāo)準(zhǔn)單元投片，再到全定制投片的方法。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案確定后，我們就設(shè)計(jì)了一個(gè)Cycle-by-cycle的C語(yǔ)言模擬器，該模擬器詳細(xì)描述了Godson處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠模擬處理器每一拍中每一位信號(hào)的變化。設(shè)計(jì)模擬器有三個(gè)明顯的好處，一是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，我們先后在C模擬器上運(yùn)行了LINUX 2.2、LINUX2.4、gcc等一系列系統(tǒng)軟件，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中的大量錯(cuò)誤。二是用C語(yǔ)言描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)格，沒有二義性，比用文字寫的文檔更加明確。在C語(yǔ)言模擬器驗(yàn)證正確后，把C語(yǔ)言模擬器的每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)換成 Verilog語(yǔ)言的一個(gè)模塊花了不到一個(gè)月的時(shí)間。而且由于設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤都在調(diào)試模擬器的過(guò)程中剔除了，在Verilog描述階段沒有再出現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤。第三個(gè)好處是C語(yǔ)言模擬器為軟件開發(fā)提供了一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，為我們開發(fā)諸如BIOS等軟件提供了很大的便利。在把C語(yǔ)言的模擬器轉(zhuǎn)換成Verilog設(shè)計(jì)后，我們又在Verilog的運(yùn)行平臺(tái)上成功地運(yùn)行了LINUX操作系統(tǒng)。然后再綜合并形成FPGA的燒制文件。經(jīng)過(guò)上述反復(fù)的驗(yàn)證，聯(lián)調(diào)時(shí)基本一次成功。如果我們不是穩(wěn)扎穩(wěn)打，而是采取跨越式的設(shè)計(jì)方法，直接進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，恐怕會(huì)欲速則不達(dá)，因?yàn)樵缴蠈拥脑O(shè)計(jì)，調(diào)試越容易，而越底層的設(shè)計(jì)，調(diào)試越困難，且剛開始時(shí)我們甚至連Verilog語(yǔ)言都不會(huì)使用。在聯(lián)調(diào)成功后，我們對(duì)流水線做了幾次較大的優(yōu)化，每次也都是在C語(yǔ)言模擬器上進(jìn)行驗(yàn)證。

在我們實(shí)驗(yàn)室的墻上，有兩句口號(hào)，一句是“人生能有幾回搏”，另一句是“求實(shí)、求實(shí)、求實(shí)、創(chuàng)新”。第一句口號(hào)是我所研制曙光系列高性能計(jì)算機(jī)用的口號(hào)，我把它借來(lái)了。的確，在我們努力攻堅(jiān)的三個(gè)月中，我們課題組的成員付出了難以想象的艱辛，尤其是在幾次調(diào)試的階段。好多人都有調(diào)試程序的經(jīng)驗(yàn)，但很少有人調(diào)試過(guò)操作系統(tǒng)，而在一個(gè)本身就可能出錯(cuò)的處理器上調(diào)試過(guò)操作系統(tǒng)的人更少。我們的挑戰(zhàn)就在這里，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)以及處理器本身都是懷疑的對(duì)象，需要多方面的協(xié)調(diào)及分析。我們?cè)?jīng)在C模擬器、Verilog模擬環(huán)境、以及FPGA驗(yàn)證系統(tǒng)上分別都運(yùn)行了LINUX操作系統(tǒng)，每次都是連續(xù)幾天幾夜的鏖戰(zhàn)。尤其是最后一次最為慘烈，因?yàn)榧词拱l(fā)現(xiàn)一個(gè)很小的錯(cuò)誤，修改一次設(shè)計(jì)再形成新的FPGA燒制文件，需要至少8個(gè)小時(shí)。只有一天24小時(shí)工作，才能保證一天有修改幾次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。我算是在課題組中睡覺不算少的，但也有一個(gè)星期沒有正經(jīng)睡覺的經(jīng)歷。在8月中旬的那個(gè)星期，星期一下班前得知第二天有領(lǐng)導(dǎo)要來(lái)所里檢查工作，于是決定冒險(xiǎn)把原來(lái)定的聯(lián)調(diào)時(shí)間提前一周，希望一次成功。但怕不成功影響士氣，只找了幾個(gè)骨干在星期一晚上開始聯(lián)調(diào)。我們只有兩次機(jī)會(huì)，因?yàn)樾薷囊淮卧O(shè)計(jì)就需要8小時(shí)。星期二凌晨四點(diǎn)，把FPGA文件寫入FPGA，沒有任何動(dòng)靜。很快就用邏輯分析儀發(fā)現(xiàn)了問題。原來(lái)是由于啟動(dòng)時(shí)與主板握手機(jī)制有缺陷，導(dǎo)致主板一直沒有撤掉復(fù)位信號(hào)。趕快修改并在中午12點(diǎn)形成了新的FPGA燒制文件，寫入后還是沒有任何動(dòng)靜。下午領(lǐng)導(dǎo)來(lái)檢查，開了一下午會(huì)，晚上接著調(diào)試，發(fā)現(xiàn)CPU插卡上有兩個(gè)焊點(diǎn)短路，去掉后主板上的液晶顯示器上如約顯示出“GODSON”的字樣，我們一片歡呼。我們決定連續(xù)作戰(zhàn)，到星期三晚上11點(diǎn)左右，成功地運(yùn)行經(jīng)過(guò)改造的主板上的BIOS系統(tǒng)，相當(dāng)于是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)，又是一片歡呼（這時(shí)課題組的其他成員才知道我們是在我們自己的CPU上運(yùn)行程序）。于是12點(diǎn)要求所有人回去睡覺后回家睡覺。晚上雷聲大作，風(fēng)雨交加，以示慶賀。我興奮得難以入睡，因?yàn)榇藭r(shí)始覺三個(gè)月來(lái)一直緊緊壓迫我的壓力稍有緩和。星期四上班后開始試圖啟動(dòng)LINUX操作系統(tǒng)，但每次都在最后進(jìn)入用戶態(tài)啟動(dòng)各種應(yīng)用程序時(shí)出錯(cuò)。懷疑是TLB的問題，因?yàn)樵L問用戶空間才開始使用TLB。一直跟TLB斗爭(zhēng)了三天兩夜，中間發(fā)現(xiàn)了不少問題，每次充滿期望地改過(guò)來(lái)卻總是獲得失望，直到星期六吃晚飯前恍然大悟地發(fā)現(xiàn)問題，吃完晚飯后趕快修改，8月19日凌晨2點(diǎn)多形成FPGA文件并寫入FPGA，2點(diǎn)42分，屏幕終于上出現(xiàn)了“l(fā)ogin”字樣，登錄進(jìn)去隨便玩，和使用其它機(jī)器上的LINUX一樣。我當(dāng)時(shí)用vi編輯了一個(gè)文件記錄這一歷史時(shí)刻，存盤退出后把它ftp到另一臺(tái)機(jī)器上發(fā)給唐志敏和所領(lǐng)導(dǎo)，并興奮得馬上給唐志敏打電話告訴他這個(gè)好消息。那時(shí)雖然我們都已經(jīng)極度疲憊，但在場(chǎng)的6個(gè)人都興奮得毫無(wú)睡意，聊天到天亮。記得那晚也是風(fēng)雨交加。早上6點(diǎn)大家回家睡覺，不知?jiǎng)e人怎么樣，我連續(xù)睡了20多個(gè)小時(shí)，補(bǔ)上了這一星期的覺。在此之后，我們又跟前述“偏執(zhí)狂”的浮點(diǎn)測(cè)試程序斗爭(zhēng)了兩個(gè)禮拜，不過(guò)已經(jīng)沒有那么辛苦了。我有時(shí)候覺得自己比周扒皮還狠，但我們課題組的成員確實(shí)很玩命。有好幾次，我在早上六、七點(diǎn)鐘打開實(shí)驗(yàn)室的門，發(fā)現(xiàn)有些人手里扶著鼠標(biāo)就靠在椅子上睡著了。我是容易受感動(dòng)的人，看到這樣的場(chǎng)景忍不住想落淚。但我還是叫醒他們問他們昨天晚上的進(jìn)展并讓他們接著干。我有一個(gè)學(xué)生，近兩個(gè)月來(lái)很少在凌晨4點(diǎn)前睡覺，而常常到八、九點(diǎn)鐘我上班后就會(huì)把他叫起來(lái)，因?yàn)槲壹庇诹私庾蛲淼倪M(jìn)展。記得有一次我們?cè)谏钜钩玫扔?jì)算機(jī)的運(yùn)行結(jié)果，大家聊天，說(shuō)到了生死。他說(shuō)最不希望老死，看著自己的生命一點(diǎn)點(diǎn)耗盡。我們有一種觀點(diǎn)，我們現(xiàn)在落后這么多，別人不比我們笨，如果大家都一樣一周五天一天8小時(shí)上班，恐怕很難趕上人家，惟有象當(dāng)年搞“兩彈一星”一樣拼命，至少得累死一批人。惟有這樣，我們才能不受欺負(fù)，我們的子孫才有希望重新做到“犯我大漢者，雖遠(yuǎn)必誅之”。

我經(jīng)常說(shuō)，一盆花用水澆灌固然能夠盛開，但用心血澆灌會(huì)更鮮艷。我們的CPU事業(yè)就是一朵花，我們?cè)谟眯难獫补嗨?。我們給我們?cè)O(shè)計(jì)的處理器取了一個(gè)很有傳統(tǒng)特色的小名叫“狗剩”，希望名字賤一點(diǎn)容易養(yǎng)大，音譯成英文就是Godson。

至于我們墻上的另外一句口號(hào)“求實(shí)、求實(shí)、求實(shí)、創(chuàng)新”是對(duì)計(jì)算所所訓(xùn)“求實(shí)、創(chuàng)新”的一個(gè)注解和發(fā)揮。因?yàn)槲腋械浆F(xiàn)在中國(guó)科技界太浮躁，炒作的人多，做事的人少。因此希望我們組的人把工作做扎實(shí)，少吹牛多做事。其中第一個(gè)求實(shí)是關(guān)于做學(xué)問的目的，要為了做學(xué)問而做學(xué)問，而不是為了名和利。要真正做到‘人不知而不慍’。這一點(diǎn)說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)很難。象我們?cè)谟?jì)算所工作的人，大概在利上不是非常計(jì)較，只要日子過(guò)得下去就行了，但在名上就很難看得開，這一點(diǎn)，我自己雖然做不到，但心向往之。第二個(gè)求實(shí)是關(guān)于做學(xué)問的態(tài)度，就是要把工作做到實(shí)處，就是要艱苦奮斗，就是不要為了發(fā)表論文而寫文章。在科研上哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)的創(chuàng)新，都需要大量踏實(shí)的工作，這是客觀規(guī)律，誰(shuí)也躲不過(guò)。我們?cè)诳蒲兄薪?jīng)常碰到有些人不愿做具體繁瑣的工作，一心想發(fā)表論文。這種現(xiàn)象很普遍，我自己也這樣，但以后要力戒之。第三個(gè)求實(shí)是關(guān)于做學(xué)問的方法，要勇于實(shí)踐，不要紙上談兵。就是要‘學(xué)而時(shí)習(xí)之’，就是認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的不斷循環(huán)往復(fù)。學(xué)問并不僅僅是知識(shí)淵博，更多的是體驗(yàn)和感覺。沒有對(duì)所做工作的深刻體驗(yàn)，就難以發(fā)現(xiàn)問題，就難以創(chuàng)新。而這些體驗(yàn)，別人的文章里是看不來(lái)的，沒有經(jīng)過(guò)身體力行的大量實(shí)踐，是不會(huì)有的。只要做到了這三個(gè)求實(shí)，想不創(chuàng)新也難。

現(xiàn)在很多人認(rèn)為我國(guó)沒有自己的處理器，主要是因?yàn)楣に囁缴喜蝗?，因此，處理器設(shè)計(jì)不應(yīng)是計(jì)算所的事情，而是做微電子設(shè)計(jì)的人的工作。誠(chéng)然，回顧我們國(guó)家的處理器設(shè)計(jì)歷史，在80年代后全面落后的一個(gè)重要原因是沒有自己的制造工藝，導(dǎo)致處理器設(shè)計(jì)隊(duì)伍整體上垮掉，人員流失。但現(xiàn)在情況發(fā)生了變化，投片已經(jīng)沒有大問題，主要是沒有設(shè)計(jì)。而處理器設(shè)計(jì)決不僅僅是邏輯設(shè)計(jì)。處理器設(shè)計(jì)是大系統(tǒng)，惟有對(duì)包括操作系統(tǒng)、編譯、體系結(jié)構(gòu)、I/O等在內(nèi)的整個(gè)計(jì)算機(jī)有全局的把握才能設(shè)計(jì)出高性能處理器。就好象一個(gè)公司，固定資產(chǎn)和資金只提供了必要的條件，關(guān)鍵還在于管理。在通用計(jì)算機(jī)中，操作系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的的配合尤為重要，有些指令專門是為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，尤其是在系統(tǒng)安全、存儲(chǔ)管理、原子操作、例外處理等方面。我在用我們自己的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)MIPS指令系統(tǒng)的過(guò)程中，有一個(gè)深刻的體會(huì)，就是一個(gè)指令系統(tǒng)十幾年來(lái)一直在發(fā)展是有它的道理的（MIPS指令系統(tǒng)經(jīng)歷了MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV的發(fā)展過(guò)程）。有時(shí)候通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)的分析了解到一些指令的妙用，體會(huì)到設(shè)計(jì)者設(shè)置這些指令的初衷，真是讓人拍案叫絕。所以，我一直很慶幸我們采用了兼容的做法，如果自己設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，沒有十幾年的實(shí)踐，是不會(huì)完善的。放眼中國(guó)在體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯方面的綜合力量比計(jì)算所強(qiáng)的不多（我比較佩服的其它單位只有一家），因此計(jì)算所做CPU設(shè)計(jì)是很有優(yōu)勢(shì)的。雖然前幾年的折騰使計(jì)算所元?dú)獯髠?，但底子還在。在開始做CPU設(shè)計(jì)之初，我對(duì)這件事情的復(fù)雜性估計(jì)不足（這是一個(gè)深刻教訓(xùn)），只是領(lǐng)著八、九個(gè)研究生做。后來(lái)在項(xiàng)目逐漸展開后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的人力頂多能做完邏輯設(shè)計(jì)，要把通用操作系統(tǒng)啟動(dòng)起來(lái)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。無(wú)奈之下，只好從原來(lái)做機(jī)群的組和做嵌入式操作系統(tǒng)的組中調(diào)了幾個(gè)操作系統(tǒng)高手過(guò)來(lái)，事情馬上有了起色。比如，我們要在C模擬器上運(yùn)行操作系統(tǒng)，需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪和修改（如去掉一些與主板配置緊密相關(guān)的初始化），這種事情沒有對(duì)操作系統(tǒng)的深入把握是不會(huì)做的。后來(lái)，又從其他地方得到一些人員補(bǔ)充（我現(xiàn)在體會(huì)到電影上打仗時(shí)指揮員為什么非常重視預(yù)備隊(duì)）?，F(xiàn)在，我們組已經(jīng)有了三、五十人的規(guī)模，兵不在多在于精，這些人全是年輕的槍手，素質(zhì)很高，又很玩命。就我目前所做的事情來(lái)說(shuō)，計(jì)算所幾乎是“要什么人才有什么人才”。當(dāng)然，以后投片現(xiàn)在的隊(duì)伍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

計(jì)算所的科研環(huán)境很好，尤其是體現(xiàn)在后勤服務(wù)上。舉幾個(gè)小例子。第一個(gè)是工作展開后通宵加班多了起來(lái)，我們自己因地制宜地在一些桌子上鋪上鋪蓋搭了幾張簡(jiǎn)陋的床。當(dāng)鄧書記知道這種情況后，馬上找人騰出一間小屋子，放了六張床，大大改善了我們加班時(shí)的休息環(huán)境。書記還讓人每天為加班的人準(zhǔn)備餅干、方便面等方便食品。第二個(gè)例子是，隨著工作的不斷深入，組里需要不斷添置新的微機(jī)，但機(jī)器都是隨用隨買（因?yàn)橐郧皼]有經(jīng)驗(yàn)，不知道要買多少機(jī)器）。對(duì)此，業(yè)務(wù)處的同志們總是全力配合，保證組里及時(shí)用上新機(jī)器。最快的一次，我在上午11:30向業(yè)務(wù)處王玉潔老師提出購(gòu)機(jī)申請(qǐng)，下午1:30機(jī)器已經(jīng)送到實(shí)驗(yàn)室。這在一個(gè)財(cái)務(wù)制度健全、審批嚴(yán)格的事業(yè)單位是很難想象的，更何況是下班時(shí)間。第三個(gè)例子是有一次我們急需一塊Matrox G200顯卡，但由于是幾年前的產(chǎn)品，跑遍了中關(guān)村也沒有買到。萬(wàn)般無(wú)奈，只得通過(guò)EMAIL向所內(nèi)的部分老師緊急求助，熱心的業(yè)務(wù)處于天波老師馬上在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布這個(gè)消息，不到一個(gè)小時(shí)，在王貞松老師的幫助下，就找到了這塊顯卡。這至少減掉了我們兩個(gè)星期的工作量，因?yàn)槿绻闷渌@卡，我們得自己寫驅(qū)動(dòng)程序。有效的后勤保障使我有時(shí)后覺得不把事情做好，對(duì)不起這些熱心幫助我們的人。

　　我們?cè)谇耙欢螘r(shí)間的教訓(xùn)有兩個(gè)。一是工程經(jīng)驗(yàn)不足，主要體現(xiàn)在以做研究的方法來(lái)做工程，以及對(duì)任務(wù)的難度估計(jì)不足，科研力量配備不夠，導(dǎo)致初期效率不高。幸虧后來(lái)工程經(jīng)驗(yàn)豐富的張志敏老師的加盟大大扭轉(zhuǎn)了我們以做研究的方法做工程項(xiàng)目的局面，提出了“后墻不倒”的目標(biāo)。此外，也幸虧計(jì)算所技術(shù)儲(chǔ)備雄厚，要什么人有什么人，使得我們得以在后期提高效率。不過(guò)，我們目前在文檔管理等方面還是很存在問題的。第二個(gè)教訓(xùn)是對(duì)工具重視不夠。現(xiàn)在做處理器設(shè)計(jì)，EDA工具是十分重要的。我們由于不夠重視EDA工具，吃了不少虧。有一次布線布不通，只要修改一下設(shè)置就行，可惜我們都不會(huì)，折騰了一個(gè)禮拜，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)。

下面我可以介紹一下Godson的技術(shù)特點(diǎn)。了解了這些技術(shù)特點(diǎn)，就可以了解為什么Godson工作在12.5MHz時(shí)就有50MHz的486的性能。Godson的流水線結(jié)構(gòu)是我自己覺得比較得意的地方。設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有參考其它處理器的流水線，完全是憑感覺。Godson流水線包括了若干目前處理器設(shè)計(jì)中最先進(jìn)的技術(shù)，如流水線動(dòng)態(tài)調(diào)度，Tomasulo算法，寄存器重命名，猜測(cè)執(zhí)行，精確例外處理，64位的浮點(diǎn)運(yùn)算部件，CACHE技術(shù)等，并且在某些方面有所創(chuàng)新。流水線設(shè)計(jì)中比較困難的兩個(gè)問題是例外的處理和相關(guān)的解決。首先我們把例外處理與流水線緊密地耦合在一起，在數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)中例外結(jié)果和正常結(jié)果并行，在執(zhí)行過(guò)程中例外結(jié)果和正常結(jié)果不加區(qū)別，只有在指令結(jié)束階段才對(duì)例外結(jié)果進(jìn)行特殊處理。此外，我們把轉(zhuǎn)移指令猜測(cè)錯(cuò)誤作為一種特殊例外，利用例外處理的取消和保持現(xiàn)場(chǎng)精確邏輯。這樣不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而且可以讓轉(zhuǎn)移指令后面猜測(cè)執(zhí)行的指令盡可能地往下執(zhí)行。我們的流水線是動(dòng)態(tài)流水線,采用de-coupled結(jié)構(gòu)，控制邏輯分布在每個(gè)模塊之中。在流水線的控制中，“讓流水線流起來(lái)”是我們?cè)O(shè)計(jì)的理念。在指令流水線中，數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)都會(huì)引起流水線等待，如后面指令用到前面指令的結(jié)果或后面指令是否執(zhí)行由前面轉(zhuǎn)移指令成功與否決定。對(duì)于因數(shù)據(jù)相關(guān)引起的等待，我們的原則是盡量推遲到不得不等的時(shí)候才等。即對(duì)于源數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好的指令，指令譯碼和發(fā)射時(shí)并不停下來(lái)等待數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)單的靜態(tài)流水線通常在譯碼時(shí)停下來(lái)等待未準(zhǔn)備好得數(shù)據(jù)，堵住了后面指令的繼續(xù)執(zhí)行），而是建立數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，由功能部件通過(guò)偵聽結(jié)果總線解決相關(guān)。這樣數(shù)據(jù)結(jié)果一出來(lái)，等待它的指令馬上可以進(jìn)行運(yùn)算，不用經(jīng)過(guò)寫回到寄存器再讀出來(lái)的過(guò)程，而且前面指令的等待不會(huì)堵塞后面指令的繼續(xù)執(zhí)行。對(duì)于控制相關(guān)，我們也是讓轉(zhuǎn)移分支的指令先猜測(cè)地執(zhí)行起來(lái)，到實(shí)在不得不停下來(lái)時(shí)才等待轉(zhuǎn)移目標(biāo)的確定。如果轉(zhuǎn)移猜測(cè)成功就立即繼續(xù)前進(jìn)，如果轉(zhuǎn)移猜測(cè)不成功，就利用例外處理的指令撤消機(jī)制恢復(fù)正確現(xiàn)場(chǎng)。

流水線設(shè)計(jì)中，“簡(jiǎn)潔、流暢”是是我們追求的目標(biāo)，前者保證流水級(jí)間的控制簡(jiǎn)單，延遲少，后者保證流水線的高性能。在我們聯(lián)調(diào)成功后到現(xiàn)在，已經(jīng)對(duì)流水線進(jìn)行了4次較大調(diào)整，每次都更加簡(jiǎn)潔、流暢。我想在正式投片前還會(huì)有幾次調(diào)整。
此外，Godson的浮點(diǎn)運(yùn)算部件流水線設(shè)計(jì)也有自己的特點(diǎn)。Godson體系結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，模塊化好，可以根據(jù)不同的需求對(duì)功能部件進(jìn)行任意裁剪以滿足不同的應(yīng)用。由于Godson的流水線采用de-coupled結(jié)構(gòu)，控制邏輯分布在每個(gè)模塊之中。增加或減少功能模塊對(duì)其它部分沒什么影響。如對(duì)于某些嵌入式應(yīng)用，不需浮點(diǎn)部件，只要去掉浮點(diǎn)ALU、浮點(diǎn)乘法、以及浮點(diǎn)寄存器模塊，不用對(duì)其它模塊做任何修改。

系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)也是Godson的一個(gè)重要特點(diǎn)。Godson系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)MIPS系統(tǒng)要求的安全機(jī)制外，還針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊實(shí)現(xiàn)了一種新的訪問限制機(jī)制。緩沖區(qū)溢出是一種非常普遍、非常危險(xiǎn)的漏洞，是目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攻擊所采取的辦法。在各種操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件中廣泛存在。利用緩沖區(qū)溢出攻擊，可以導(dǎo)致程序運(yùn)行失敗、系統(tǒng)死機(jī)、重新啟動(dòng)等后果。更為嚴(yán)重的是，可以利用它執(zhí)行非授權(quán)指令，甚至可以取得系統(tǒng)特權(quán)，進(jìn)而進(jìn)行各種非法操作。Godson通過(guò)允許操作系統(tǒng)對(duì)堆棧段的取指進(jìn)行限制，從而有效地防范利用緩沖區(qū)溢出進(jìn)行的攻擊。

當(dāng)然，Godson在目前設(shè)計(jì)上還存在一些缺陷，主要是對(duì)CACHE重視不夠。目前的設(shè)計(jì)只有4KB的指令CACHE和4KB的數(shù)據(jù)CACHE，都是直接相聯(lián)（這與FPGA容量有關(guān)，目前的設(shè)計(jì)已經(jīng)使用了150萬(wàn)門的FPGA的85%-90%的面積）。在性能測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)訪存要求較高的程序

Godson的性能不夠理想。如當(dāng)Godson運(yùn)行在12.5MHz時(shí)，對(duì)于訪存不敏感的程序，100MHZ主頻的IDT 64474 CPU（R4000內(nèi)核）的性能是Godson的3-5倍，但對(duì)于訪存敏感的程序，IDT64474 的性能是Godson的6-8倍。IDT 64474有16KB的指令CACHE和16KB的數(shù)據(jù)CACHE，都是二路組相聯(lián)，無(wú)論是CACHE容量和組織方式都比Godson強(qiáng)。在投片前一定要對(duì)CACHE部分進(jìn)行改進(jìn).

　　關(guān)于Godson的未來(lái)發(fā)展，我們有一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃。第一步是在目前設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)優(yōu)化后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元的投片，主頻在200-300MHz左右，爭(zhēng)取2002年完成，用于個(gè)人工作站/瘦客戶端PC及電子政務(wù)等。第二步是設(shè)計(jì)雙發(fā)射64位的結(jié)構(gòu)（目前為單發(fā)射、定點(diǎn)32位、浮點(diǎn)64位），投片主頻為500MHz左右，爭(zhēng)取2003-2004年完成。用于高性能服務(wù)器，也可以搭成機(jī)群做高性能計(jì)算。第三步爭(zhēng)取在處理器間并行上有所突破，設(shè)計(jì)基于Crossbar的大SMP結(jié)點(diǎn)，每個(gè)SMP結(jié)點(diǎn)16-64個(gè)CPU，用于高性能計(jì)算。在做處理器設(shè)計(jì)之前，我們做了近十年的共享存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，但受囿于CPU和操作系統(tǒng)，只能紙上談兵，頂多做做軟件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在自己做CPU，可以為所欲為，好象被束縛的手腳一下子得到了自由。如果能夠把我們?cè)诠蚕泶鎯?chǔ)并行系統(tǒng)方面十來(lái)年的積累做到實(shí)用系統(tǒng)中去，簡(jiǎn)直是爽呆。如果可能的話，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)串行程序采用多線程技術(shù)自動(dòng)并行化，這需要編譯、操作系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全面突破。

沒做多少事，寫了這么多，是不是有點(diǎn)過(guò)分。寫這種東西其實(shí)比寫程序還累。