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原标题:【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

【嘉德点评】中天微发明的高性能低功耗嵌入式处理器,通过单周期并行发射和执行两条指令的嵌入式处理器的新型硬件架构,开创了流水线多种工作机制,极大的提升了嵌入式处理器的并行处理能力,并且实现了嵌入式处理器在性能上的跨越式发展!

集微网消息,2020年,“新基建”晋升为最新热门网络词汇,被频频提及。4月20日,在国家发改委新闻发布会上,官方首次明确“新基建”的范围,以5G基建、大数据中心、人工智能、工业互联网、物联网等为代表的新型基础设施建设,将成为此次新基建的重点发展方向。

【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

而这些领域的建设均离不开嵌入式芯片,在移动终端中,指令架构多用于嵌入式系统,该系统指面向特定应用领域和执行特定任务的计算机系统,通常由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。

嵌入式系统无所不在,并已经渗透到国民经济的各个角落:在消费类电子产品中,如数码相机、DVD播放器和打印机等;在医疗设备中,如强心剂无节律监视器和强心剂心律调整器等;在汽车设计中,如燃料加注系统和自动刹闸系统等。嵌入式系统将在国家信息化战略中起到至关重要的作用。

在之前的中美贸易战中,美国禁止中兴购买美国的芯片,这一举动可以说是在国内掀起了一阵巨大的波浪。在这个事件发生没多久后,阿里巴巴就全资收购了中天微,中天微的芯片采用自主的指令架构,在芯片信息安全以及嵌入式芯片等方面处于国内领先地位。

早在09年1月22日,中天微就申请了一项名为“基于指令双发射的高性能低功耗嵌入式处理器”的发明专利(申请号:200910095583.X),申请人为杭州中天微系统有限公司。

根据目前该专利公开的资料,让我们一起来看看这项高性能低功耗嵌入式处理器吧。

我们知道,可以通用协处理器接口实现嵌入式处理器面向各种应用的扩展,嵌入式处理器通常面向特定的应用领域,不同的应用领域对于数据处理的形式和性能需求差异较大。因此需要一种有效的处理器扩展机制,在面对不同的应用设计时可以从容面对。

【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

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如上图所示为专利中指令双发射嵌入式处理器总体结构框图,该嵌入式处理器包括:取指单元、双路译码单元、发射单元、指令分发执行控制单元、指令执行单元以及载入存储单元。

取指单元用于在单时钟周期内从片上指令存储器或片外指令存储器中预取两条指令,并送入流水线。双路译码单元用于在流水线中设置两个相同的译码单元,在单时钟周期内并行译码两条指令。

发射单元用于将译码后的两条指令存放到流水线寄存器,单时钟周期并行发射两条指令,如果参与运算的操作数准备完毕后,将在下一时钟周期送入执行单元开始执行;如果参与运算的操作数未准备完毕,则将操作数未就绪的指令暂时保存至保留站寄存器中,并释放发射窗口。

可以看到这种设计结构支持用户通过协处理器的方式实现功能扩展,通用协处理器接口定义了标准的数据的读写操作协议,从而可以实现扩展运算单元与处理器内核的高速通信。

【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

如上图所示为取指单元从片上存储器取指的逻辑框图,高速缓存器与高速暂存器共同构成丰富的片上存储资源,与处理器运行速度相比,片外存储器的运行速度相对较慢,处理器访问外部存储器时造成了很大的性能损失。为了降低访问片外存储器而引起的性能损失,高性能嵌入式处理器通常采用对于软件透明的高速缓存器。

载入存储单元的作用就是当指令发生载入存储操作缺失时,当前载入存储指令临时释放流水线,在专用的回填缓冲区中等待结果从片外载入,后续载入存储指令成功占用流水线并顺利访问片上数据存储器和片外数据存储器。

该专利中采用哈佛结构的指令高速缓存和数据高速缓存,取指单元从指令高速缓存中预取指令,载入存储单元从数据高速缓冲中载入数据。高速缓存对于软件完全透明,无需软件干预,硬件控制逻辑通过重新载入机制自动从片外载入。

【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

在发射单元中,采用非阻塞发射机制,如上图所示,单时钟周期并行发射两条指令。指令经过译码后进入发射阶段,根据译码获得的操作数相关信息首先查找操作数是否就绪。若操作数准备就绪,指令可送入执行单元开始执行。

若操作数暂时未就绪,则当前指令暂时不能送入执行单元,需要等待操作数就绪后才能发射。如果采用传统发射机制,由于当前指令需要等待操作数就绪后才能实施反射,因此,后续指令不能占用反射窗口,会被阻塞在前级流水线。

【专利解密】中天微 高性能低功耗处理器

最后上图为处理器工作模式转换的示意图,功耗管理单元可以使得处理器从正常模式到待机、关机和休眠三种低功耗模式转换。同时为双发射嵌入式处理器设置了四种工作模式:正常、待机、关机和休眠,待机、关机和休眠三种模式均为低功耗模式。

正常工作模式为处理器全速运行的模式,处理器所有功能都将被激活。在待机模式下,处理器的工作时钟被关闭,处理器流水线处于非活跃状态,所有寄存器信息也不再更新,从而降低功耗。

而在关机模式下,处理器的电源将会被关闭,流水线和片上存储器信息也会完全丢失。最后,在休眠模式下,处理器内核电源同样被关闭,流水线信息丢失,但片上存储器的电源不会被关闭。

以上就是中天微发明的高性能低功耗嵌入式处理器,通过单周期并行发射和执行两条指令的嵌入式处理器的新型硬件架构,开创了流水线多种工作机制,极大的提升了嵌入式处理器的并行处理能力,并且实现了嵌入式处理器在性能上的跨越式发展!

(校对/holly)

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