1.2 模块化ISA和增量型ISA

Intel曾将其未来押在高端微处理器上，但这还需要很多年时间。为与Zilog公司抗衡，Intel开发了一款名为8086的过渡产品。它本该朝生暮死，无任何后续产品，但事实并非如此。高端处理器姗姗来迟，等它最终面世时，性能却不如人意。因此，8086架构得以延续——它演化为32位处理器，最终又演化为64位。其名称不断更替（80186、80286、i386、i486、Pentium），但底层指令集丝毫未减。

——Stephen P.Morse，8086架构师（Morse，2017）

计算机体系结构的传统发展方式是增量型ISA，这意味着新处理器不仅需要实现新的ISA扩展，还必须实现过去的所有扩展。其目的是保持向过去的二进制兼容性，使数十年前的二进制程序仍可在最新处理器上正确运行。出于市场营销的目的，新一代处理器的发布通常伴随着新指令的发布。这两点需求共同导致ISA的指令数量随时间流逝而大幅增长。图1.2展示了当今主流ISA x86的指令数量增长过程。x86的历史可追溯到1978年，在漫长的生命周期中，它每个月大约增加3条指令。

图1.2 x86指令集自诞生以来的增长情况

x86在1978年诞生时有80条指令，2015年增长到1338条，翻了16倍，并且仍在增长。但图中数据仍偏保守。一篇2015年的Intel博客指出，统计结果为3600条指令（Rodgers et al.2017）。按这个数据，在1978年到2015年期间，x86指令平均每4天增长1条。我们统计的是汇编语言指令，他们统计的也许是机器语言指令。正如第8章所介绍的，增长的主要原因是x86 ISA通过SIMD指令实现数据级并行。

这种约定意味着x86-32（我们用它表示32位地址版本的x86）的每款处理器都必须实现过去扩展的错误设计，即便它们已无意义。例如，图1.3列出了x86的aaa（ASCII Adjust after Addition）指令，该指令早已失去用处。

图1.3 x86-32 aaa指令的功能描述

它以二进制编码十进制数（Binary Coded Decimal，BCD）的形式进行算术运算，但它已化为信息技术的历史尘埃。x86还有3条类似的指令，分别用于减法（aas）、乘法（aam）和除法（aad）。它们都是单字节指令，因此一共占用宝贵操作码空间的1.6%（4/256）。

打个比方，假设一家餐馆只提供价格固定的套餐，最开始只有汉堡加奶昔的小餐。随着时间的推移，套餐中加入了薯条，然后是冰淇淋圣代，还有沙拉、馅饼、葡萄酒、素食意大利面、牛排、啤酒，无穷无尽，最后变成饕餮盛宴。食客能在这家餐馆找到他们过去吃过的任何一种食物（尽管这样没什么意义）。然而，这对食客来说是一个坏消息，他们每次的餐费将随盛宴加量而不断上涨。

除年轻和开放之外，RISC-V还是模块化的，这与过去几乎所有ISA都不同。其核心是一个名为RV32I的基础ISA，可运行完整的软件栈。RV32I已冻结，永不改变，这为编译器开发者、操作系统开发者和汇编语言程序员提供了稳定的指令目标。模块化特性源于可选的标准扩展，硬件可根据应用程序的需求决定是否包含它们。利用这种模块化特性能设计出面积小、能耗低的RISC-V处理器，这对于嵌入式应用至关重要。RISC-V编译器得知当前硬件包含哪些扩展后，便可为该硬件生成最优代码。一般约定将扩展对应的字母加到指令集名称之后，以指示包含哪些扩展。例如，RV32IMFD在必选基础指令集（RV32I）上添加了乘法（RV32M）、单精度浮点（RV32F）和双精度浮点（RV32D）扩展。

继续用我们刚才的比方，RISC-V提供的是一份菜单，而不是一顿应有尽有的自助餐。主厨只需烹饪食客需要的食物，而不是每次都烹饪一顿大餐，食客也只需为他们点单的食物付费。RISC-V无须仅为市场营销的热闹而添加新指令。RISC-V国际基金会决定何时往菜单中添加新的选择，经过由软硬件专家组成的委员会公开讨论后，他们才会出于必要的技术原因添加指令。即使这些新的选择出现在菜单上，它们仍是可选的，不像增量型ISA那样成为未来所有实现的必要组成部分。