RISC-V 不定长的指令周期

现代CPU由于存在多级流水线，对于分支处理又存在分支预测功能，因此在实际cpu的运行过程中，beq指令的周期不是固定的。
另外，即使对于其他指令，比如lw指令，其指令周期也不是固定的。取决于该指令跟后面的指令有没有依赖关系。 使用2周期的那些lw指令的bne指令都是需要用到前一条lw指令的结果，所以必须等前一条完成之后才能执行。比如 lw a0,1540(t1)与bne a0,x0,-1，bne指令必须等 a0 的 load 结果出来之后才能开始执行。lw 本身都是4周期的，如果前后没有依赖关系就可以pipeline起来，看起来就是一个周期完成一样。比如图中前面那些1个周期的lw指令都是没有依赖关系的。另外，lw 周期数跟具体实现有关系，最少2周期，如果存储接口插入了等待周期会更长，具体到某个指令多少得分析微架构。所以说，并不能直接从代码段知道一个函数的实际运行时间，需要实际运行看看。
执行一个小程序进行测试（测试cpu为8级流水线），从log中获知一共使用了31个不同的指令。指令和指令次数为：

1， 跳转和返回指令

jal指令：

即使没有依赖关系，也是最少5周期：本测试一共有2983个jal指令，其指令周期和次数有：

可以看出，jalr指令的大部分的指令周期是5。

jalr指令：

jalr指令一共有2279个jalr指令，其指令周期和次数有：

可以看出，jalr指令的大部分的指令周期是5。

mret指令

mret指令，一共79个：

大部分为9个周期。

2， add和addi指令

add指令，一共4129个，1个周期和4个周期大约各占一半。
addi指令，一共22708个，大部分是1个周期。
伪代码中的li指令，会转换为addi指令来执行。比如li a5，4指令，会转换为addr a5,x0,4。

3， load和store指令

lw指令

lw指令，一共24338个，1个周期和2个周期的大约各占一半。

lbu指令

lbu指令，一共1572个：

可以看出，lbu指令的时间周期并没有比lw指令少。

sw指令

sw指令，一共13636个，大部分需要1个时钟周期。

sb和sh指令

sb和sh指令与sw指令类似，大部分需要1个时钟周期。

4，分支预测指令

bne指令

bne指令，一共5389个：

66%是7个周期。
有1次15 cycle是因为后面来了一个中断，需要跳转到中断服务函数。
有11次用了13个cycle, 主要就是分支开销， 没有指令预测， 结果遇到分支跳转，开销就大；一般跳转后面的时间长， 很大可能都是分支跳转的开销。开销最大的情况是跳转后 又遇到 cache miss； 计算这个开销是 从取指令到提交的流水线级数+cache miss的取指时间。
总结：所以我们在写代码的时候，最好把运行概率大的那个分支写到if中。

bge,begu,blt指令

这三个指令大部分都是6个周期。可以看到，分支跳转指令是比较耗时的。

5， 与状态寄存器有关的指令

csrrs,csrrw,csrrwi，这些指令在实际测试中一般耗费4个时钟周期。

6，nop指令

nop指令，一共1060个：

7，其他指令

大部分都是1个时钟周期。