「專利解密」中天微 高性能低功耗處理器
2020-09-06 愛集微APP【嘉德點評】中天微發明的高性能低功耗嵌入式處理器，通過單周期並行發射和執行兩條指令的嵌入式處理器的新型硬體架構，開創了流水線多種工作機制，極大的提升了嵌入式處理器的並行處理能力，並且實現了嵌入式處理器在性能上的跨越式發展！
集微網消息，2020年，「新基建」晉升為最新熱門網絡詞彙，被頻頻提及。4月20日，在國家發改委新聞發布會上，官方首次明確「新基建」的範圍，以5G基建、大數據中心、人工智慧、工業網際網路、物聯網等為代表的新型基礎設施建設，將成為此次新基建的重點發展方向。
而這些領域的建設均離不開嵌入式晶片，在移動終端中，指令架構多用於嵌入式系統，該系統指面向特定應用領域和執行特定任務的計算機系統，通常由嵌入式處理器、外圍硬體設備、嵌入式作業系統以及用戶的應用程式等四個部分組成。
嵌入式系統無所不在，並已經滲透到國民經濟的各個角落：在消費類電子產品中，如數位相機、DVD播放器和印表機等；在醫療設備中，如強心劑無節律監視器和強心劑心律調整器等；在汽車設計中，如燃料加注系統和自動剎閘系統等。嵌入式系統將在國家信息化戰略中起到至關重要的作用。
在之前的中美貿易戰中，美國禁止中興購買美國的晶片，這一舉動可以說是在國內掀起了一陣巨大的波浪。在這個事件發生沒多久後，阿里巴巴就全資收購了中天微，中天微的晶片採用自主的指令架構，在晶片信息安全以及嵌入式晶片等方面處於國內領先地位。
早在09年1月22日，中天微就申請了一項名為「基於指令雙發射的高性能低功耗嵌入式處理器」的發明專利（申請號：200910095583.X），申請人為杭州中天微系統有限公司。
根據目前該專利公開的資料，讓我們一起來看看這項高性能低功耗嵌入式處理器吧。
我們知道，可以通用協處理器接口實現嵌入式處理器面向各種應用的擴展，嵌入式處理器通常面向特定的應用領域，不同的應用領域對於數據處理的形式和性能需求差異較大。因此需要一種有效的處理器擴展機制，在面對不同的應用設計時可以從容面對。
如上圖所示為專利中指令雙發射嵌入式處理器總體結構框圖，該嵌入式處理器包括：取指單元、雙路解碼單元、發射單元、指令分發執行控制單元、指令執行單元以及載入存儲單元。
取指單元用於在單時鐘周期內從片上指令存儲器或片外指令存儲器中預取兩條指令，並送入流水線。雙路解碼單元用於在流水線中設置兩個相同的解碼單元，在單時鐘周期內並行解碼兩條指令。
發射單元用於將解碼後的兩條指令存放到流水線寄存器，單時鐘周期並行發射兩條指令，如果參與運算的操作數準備完畢後，將在下一時鐘周期送入執行單元開始執行；如果參與運算的操作數未準備完畢，則將操作數未就緒的指令暫時保存至保留站寄存器中，並釋放發射窗口。
可以看到這種設計結構支持用戶通過協處理器的方式實現功能擴展，通用協處理器接口定義了標準的數據的讀寫操作協議，從而可以實現擴展運算單元與處理器內核的高速通信。
如上圖所示為取指單元從片上存儲器取指的邏輯框圖，高速緩存器與高速暫存器共同構成豐富的片上存儲資源，與處理器運行速度相比，片外存儲器的運行速度相對較慢，處理器訪問外部存儲器時造成了很大的性能損失。為了降低訪問片外存儲器而引起的性能損失，高性能嵌入式處理器通常採用對於軟體透明的高速緩存器。
載入存儲單元的作用就是當指令發生載入存儲操作缺失時，當前載入存儲指令臨時釋放流水線，在專用的回填緩衝區中等待結果從片外載入，後續載入存儲指令成功佔用流水線並順利訪問片上數據存儲器和片外數據存儲器。
該專利中採用哈佛結構的指令高速緩存和數據高速緩存，取指單元從指令高速緩存中預取指令，載入存儲單元從數據高速緩衝中載入數據。高速緩存對於軟體完全透明，無需軟體幹預，硬體控制邏輯通過重新載入機制自動從片外載入。
在發射單元中，採用非阻塞發射機制，如上圖所示，單時鐘周期並行發射兩條指令。指令經過解碼後進入發射階段，根據解碼獲得的操作數相關信息首先查找操作數是否就緒。若操作數準備就緒，指令可送入執行單元開始執行。
若操作數暫時未就緒，則當前指令暫時不能送入執行單元，需要等待操作數就緒後才能發射。如果採用傳統發射機制，由於當前指令需要等待操作數就緒後才能實施反射，因此，後續指令不能佔用反射窗口，會被阻塞在前級流水線。
最後上圖為處理器工作模式轉換的示意圖，功耗管理單元可以使得處理器從正常模式到待機、關機和休眠三種低功耗模式轉換。同時為雙發射嵌入式處理器設置了四種工作模式：正常、待機、關機和休眠，待機、關機和休眠三種模式均為低功耗模式。
正常工作模式為處理器全速運行的模式，處理器所有功能都將被激活。在待機模式下，處理器的工作時鐘被關閉，處理器流水線處於非活躍狀態，所有寄存器信息也不再更新，從而降低功耗。
而在關機模式下，處理器的電源將會被關閉，流水線和片上存儲器信息也會完全丟失。最後，在休眠模式下，處理器內核電源同樣被關閉，流水線信息丟失，但片上存儲器的電源不會被關閉。
以上就是中天微發明的高性能低功耗嵌入式處理器，通過單周期並行發射和執行兩條指令的嵌入式處理器的新型硬體架構，開創了流水線多種工作機制，極大的提升了嵌入式處理器的並行處理能力，並且實現了嵌入式處理器在性能上的跨越式發展！
（校對/holly）
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