SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)第四章SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)SoC中常用的處理器通用處理器（CPU）數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）可配置處理器常用處理器分類通用處理器——ARM系列處理器ARM（AdvancedRISCMachines）系列處理器是RISC架構(gòu)處理器，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)。ARM系列處理器主要有ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等ARM7系列處理器是低功耗的32位RISC處理器，支持16位的Thumb指令集。ARM9系列處理器實(shí)現(xiàn)5級(jí)的流水，增加了MMU單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令分離的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。ARM10、ARM11等系列處理器增加了流水線的深度，提高了工作時(shí)鐘頻率。ARM11中還增加了SIMD功能擴(kuò)展，提高對多媒體處理的能力。32位和64位的MIPS32架構(gòu)和MIPS64架構(gòu)目前主要有兩種架構(gòu)的處理器：MIPS32的4K系列處理器主要面向SoC應(yīng)用，采用5級(jí)流水線、32位數(shù)據(jù)和地址寬度，存儲(chǔ)器采用數(shù)據(jù)和指令分開的哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）。MIPS32的24K系列采用8級(jí)流水、32位地址和64位數(shù)據(jù)寬度。MIPS32在MIPS64架構(gòu)的處理器有MIPS645K系列和20K系列分別采用6級(jí)和7級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。5K系列的MIPS645kf和20K系列的MIPS6420kc中集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，面向高性能SoC應(yīng)用。MIPS32通用處理器——MIPS系列處理器PowerPC處理器在20世紀(jì)90年代由IBM、Motorola、Apple公司共同推出，主要面向不同的市場應(yīng)用，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他嵌入式市場通用處理器——PowerPC系列處理器

32位Harvard結(jié)構(gòu)的處理器使用5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)并集成硬件乘法、硬件除法和MMU單元在Xilinx的Virtex-4系列FPGA中集成了PowerPC的處理器通用處理器——RISC-V系列處理器基于開源軟件的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基于閉源硬件的微電子產(chǎn)業(yè)開發(fā)投入大不愿意開源無開源可用高價(jià)購買IP驗(yàn)證周長期思考think盡然操作系統(tǒng)、編譯器、瀏覽器均可開放，為什么指令集架構(gòu)就不能呢？通用處理器——RISC-V系列處理器2010年Berkeley兩位教授發(fā)現(xiàn)當(dāng)前指令集存在兩個(gè)問題設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜（x86-32指令共計(jì)1338條，手冊達(dá)2198頁）知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題嚴(yán)重一個(gè)旨在設(shè)計(jì)一套全新的指令集的項(xiàng)目啟動(dòng)，共花費(fèi)近4年RISC-V(讀作“riscfive”)開放、免費(fèi)（基于BSD開源協(xié)議）不需要為指令集付一分錢！通用處理器——RISC-V系列處理器簡潔基礎(chǔ)指令50條，遠(yuǎn)少于當(dāng)前指令集ARM（2500多頁）vs.RISC-v（200多頁）取其精華，去其糟粕借鑒了之前多款處理器的成敗經(jīng)驗(yàn)分支延遲槽（MIPS）、零寄存器（ARM）等模塊化小而精簡的基本指令集（RV32I、RV64I）若干標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展子集（M、F等），可根據(jù)應(yīng)用裁剪通用處理器——RISC-V系列處理器支持定制化預(yù)留大量編碼空間穩(wěn)定性隸屬于一個(gè)開放的、非盈利性質(zhì)的基金會(huì)商用指令集的盛衰與商業(yè)公司發(fā)展息息相關(guān)目前基金會(huì)已經(jīng)有200多個(gè)成員通用處理器——RISC-V系列處理器整數(shù)擴(kuò)展（RV32I）為RISC-V的基礎(chǔ)整數(shù)指令集，所有實(shí)現(xiàn)都必須支持。RV32I極度精簡，僅有49條指令，但是功能齊全，處理器僅需支持RV32I，便可以運(yùn)行完整RISC-V軟件棧。I：乘法擴(kuò)展（RV32M）為RISC-V整數(shù)乘除法擴(kuò)。M：單精度浮點(diǎn)擴(kuò)展（RV32F）和雙精度浮點(diǎn)擴(kuò)展（RV32D）為RISC-V的浮點(diǎn)指令集。F/D：通用處理器——RISC-V系列處理器原子擴(kuò)展（RV32A）為RISC-V的原子操作指令集，為同步操作提供了必要的支持。A：通用擴(kuò)展（RV32G）為RISC-V基礎(chǔ)整數(shù)指令集RV32I加上標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展（M、F、D、A）。G：壓縮擴(kuò)展（RV32C）為RISC-V的壓縮指令集。包括了與標(biāo)準(zhǔn)32位RISC-V一一對應(yīng)的短指令。C：通用處理器——RISC-V系列處理器RV32I指令格式R-型S-型U-型通用處理器——RISC-V系列處理器RV32I指令格式I-型B-型J-型通用處理器——RISC-V系列處理器規(guī)整的指令編碼，通用寄存器的索引處于固定位置，簡化譯碼器設(shè)計(jì)。01簡介的存儲(chǔ)器訪問指令，只支持小端，不支持地址自增和自減模式。02高效的分支跳轉(zhuǎn)，支持帶條件的跳轉(zhuǎn)，默認(rèn)支持靜態(tài)分支預(yù)測機(jī)制，跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的偏移量都是有符號(hào)數(shù)，且符號(hào)位編碼在固定位置，有利于靜態(tài)分支預(yù)測機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。03簡潔的子程序調(diào)用，摒棄一次讀寫多個(gè)寄存器的指令。04通用處理器——RISC-V系列處理器無條件碼執(zhí)行，簡化硬件設(shè)計(jì)，提升主頻。05無分支延遲槽，硬件設(shè)計(jì)極大簡化。06