（粒子物理与原子核物理专业论文）“龙芯”系统中的北桥设计.pdf

致谢 p一 i 致谢 回想起论文的完成过程，真是很让人感慨，在这过去的一年多时间里，有太多的人投入 了太多的精力，想起那段人家在一起同喜同优的日一，直到现在仍然还很激动。在这里我不想 特别的感谢某个人，因为它不是一个人能够完成的，它是一个集体的力量，没有人家团结起 米的共同奋斗，齐心协力的同谋共策，我是无法想象这样一个项目如f o j - 去完成。北桥项目的 完成是和快电子实验室全体成员的群策群力，以及多年来积累r 来的宝贵经验和优良作风分 不开的。可以说它是快电子实验室知识积累的结晶，而我4 1 j h , 不过是得到了一个展示它的机 会。在此我衷心的感谢快电子实验室在我这五年多的时间里对我的培养和教导，是快电子实 验室让我掌握了现代化的科学知识，养成了认真、严谨的学术作风。 请允许我在这里列出多年米对我在快电子实验空期间的j 。作和生活给予了很大帮助的 老师以及在北桥项目中参加实际开发工作的同学，他们是：王砚方教授、安琪敦授、汤家骏 副敦授、王永纲副教授、张万生讲师、乔崇博士、张俊杰博十、杜学峰硕士和唐f i ：悦硕士。 在论文的完成过程中，中科院计算所的张志敏老师、张福新同学和高翔同学都曾给与我们夫 力的帮助；还有我们的后勤保障大队长= 程伊敏小姐，是她帮我们解决了大部分的物资和设备 供府问题，在此一并提出感谢。 最j 厅，仅以此文乖1i n 的这首小诗献给一直给与物质和精神方面巨大支持的父母和妻 j o 七言劳获 春秋寒暑、# 闲 白忍入梦语喃喃 纵有千芙叠盏障 为得一笑冲九天 笔者t - 2 0 0 3 年4 月1 5 日科大 生曼曼兰燮鲎蔓轰堂篓堡羔：楚蔓：墨篓窆墼! ! 鲎墼鎏茎囊! ! 塑箜! 耍 重l 。摘要 一个嚣家懿囊蓬兴蒜帮襞鬟，必鬃育丧己熬怼羧工旌痒支持。淹餐科学技术熊发嚣，诗 筹橇技寒在入簦：豹篷活帮工娃生产中扮演潜越采越麓要的角色。如何摆脱柬缚，发展自穗的 诗舞规接宋，瑟经越来越被入守j 爨橇，宄其是在一个翟家的敢麝、军飘帮金融辞关系到灏家 命躲的核心部门，这个间题遐褥挖为突如。 本论文阐述了一个爨予f p g a 的j g 播芯片设计，宪是粕中科院诗棼撬技术掰究搿台稼魏 一个顼强，宅熬主要露的是霹将采憋“巍棼i i ”c p u 莛翅搭建争攒蠢爨主产较黪诗葵辍 累线。藏是m i p s 系到诗冀撬g 蟒嚣产纯酶蓠狡尝试，残越拶除段+ 我稍豹麓标是儆剿与 a l g o r i t h m i c s 公嗣赫b o n i t 0 6 4j 褥芯鹭褒硬搏( 营辫缀魏较搏主稷麓兼器，势鬟$ & 够赢接 替换。麓翦浚诗蹬菠已经液动究藏，遮到了预期静设计黼标，和间类獭阑矫产晶相比其性能 基本掩乎，甚至戎装彗参数辩瓣试土廷齄一筹。嚣辑豹醺诗莱掰y b r i o g 褥言赛蕊，初期秘 f p g a 仅仅蹩一个虢谨淤段。它的实现与其体硬件茏关可以根方便的移植列a s i c 设计，从 丽使就桥的实际性能褥到迸步的拖岗。 竹幺是越辑? 熊褥谯计冀槐缝 奄中超到什么群的锃躅2 为幸 么髑琏捺? 这胃髓跫稷多 不是特别熟悉避一簇域浆a 案至g 速麓论交麓罄是想刘麴瓣避。在论文的簿l 章壤强答7 送鹫 瓣题+ 宅簸谤冀规结捣携发袋辑妻谬越，逐澎遗g i 爨l 辚熊概念；播述了褥熬葫熊势势褥 了就攒对予稳臻一个诗饕聪慧绞瓣耋蘩缝。 我铂筑能耩疆诗莛一个蘩予f p g a 舔数字系统竣计，它不圈子一般静数字逻辑设谤，在 论文躺籀2 牵擞，觚夫规模数字系统的设计人手，阐述了对予北桥这样一个复杂的设计中所 莱敬拘基本方法和掰念。 接f 采从论文魄第3 颦开始避杼她桥设计拣详细介缁。我 f 蹬j 耩采鬻熬分模块能竣诗， 所以在第3 章里也蹩按照i 攒的熬本擒戏，蓠先分缁了j s 橇黪整体框黎霸l 特点，然惹分m i p s c p u 羧西、s d r a m 拉躺嚣搂珏、p c i 基绞控裁接爨、d m a 控裁器、漏黎f o 蕊线接鼗、 肉帮惑线静羧、p c i 惑线辞裁、1 0 梅毒荐嚣张系统孛黼控隶8 警9 个帮分分剐对替个模浃的设 诗避行了详缀瓣说臻； 谤文熬薅4 零穷绍了在琵耩豹扦轰设计过程中新穗用的一些耐属按术，比如北桥的硬件 舞綮乎螽帮较 譬仿真平台。 4 摘舞 在第5 章中对北轿的鲢麓测试强国了台围黉型莺矫产箍豹霹跑和分毫蓐，并撵密程l 桥没 汁中还有待开发和完善的地方。通过这一章的测试方法和数据，可以看出我们的北桥设计在 功能上与b o n i t 0 6 4 完全兼容，性能上基本持平，并且在禁些参数的测试上还超过了b o n i t 0 6 4 。 最后一章，也就是第6 警对全文作了一个阉顾，总结了北拼设计的主要工作嗣i 创新点。 在论文末尾的附录中详细的列出了北桥开发过程的大事记，希望以此来回忆和纪念那段曲折 的历骝。 因为| b 桥的设计是一个相当复杂的数字逻辑，它涉及的技术1 常多，受篇幅限制不可能 在这靛论文孛洋尽撰述，只琵绘翻一个结穆性鑫勺奔缓。评雾祝技零麓潼产诧楚一条攘当 曲折和漫长的道路，希望此项研究成果能对我们的民族计算机产业的做出自己的点点贡 献。 ! ! 里型兰垫查盔兰塑主兰垡堡兰 ：垄蔓：墨竺主堕韭塑堡生茎查! ! ! ! 兰! 旦 一 a b s t r a c t t og e tar e a l l yi n d e p e n d e n t l yd e v e l o p m e n tf o rac o u n t r y , t h es u p p o r to fl o c a l i z a t i o ni n d u s t r yi s n e c e s s a r y w i t ht h er a p i d l yg r o w t ho fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c o m p u t e rs c i e n c eb e c o m e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti n p e o p l e s l i f ea n dw o r kh o wt os e t 印o n ec o u n t r y so w nc o m p u t e r t e c h n o l o g yi sc o m i n gu r g e n t l y , e s p e c i a l l yi ng o v e r n m e n t ，a r m y a n df i n a n c ee t c t h i sp a p e rd e s c r i b e saf p g ab a s e dd e s i g no fn o r t hb r i d g e i ti sc o o p e r a t i o nw i t hi n s t i t u t eo f c o m p u t e r t e c h n o l o g yo f c h i n a a c a d e m i c ( i c t ) t h e m a i no b j e c t o f t h i s p r o j e c t i s t o b u i l da n e w c o m p u t e rt o g e t h e rw i t ht h ef u t u r e “g o d s o ni i ”f r o mi c t , w h i c h w ew o u l do w nt h em o s tp a r to f i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h i sp r o j o c ti st h ef i r s ts t e pt ol o c a l i z en o r t hb r i d g ei nm i p sc o m p u t e r t h e d e s i g n w i l lb ec o m p a t i b l ew i t ht h ec o m m e r c i a ln o r t hb r i d g e - b o n i t 0 6 4 o fa l g o r i t h m i e s c o m p a n a r yb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e n o wa l lo ft h ed e s i g n sa r ef i n i s h e d t h i sp r o j e c t a c h i e v e st h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n ta n di sc o m p a r a b l ew i t hs i m i l a rp r o d u c t so fo t h e rc o m p a n i e s e v e nm o r e ，d u r i n gs o m ep a r a m e t e rt e s ti ts h o w sh i g h e rp e r f o r m a n c e t h i sd e s i g ni si m p l e m e n t e d b yv e r i l o gh d l ，w h i c h i sah a r d w a r ei n d e p e n d e dl a n g u a d g e t oi m p l e m e n ti nf p g ai saf i r s ts t e p o ft h i sp r o j e c t ，i tc a nb ee a s i l yt r a n s f e r e di n t oa s i ct h a tw o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fn o r t h b r i d g er e m a r k a b l y w h a ti san o r t hb r i d g e ? w h a td o e sn o r t hb r i d g ed o ? w h yi ti sn a m e dn o r t hb r i d g e ? t h e s e m a y b et h em o s tf r e q u e n t l ya s k e dq u e s t i o n sw h e no n er e a d st h i st h e s i sw h i l eh ei sn o tae x p e r to f t h i sf i e l dy o uc a ng e tt h ea n s w e r so ft h e s eq u e s t i o n sa tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r i ts h o w st h e h i s t o r yo fc o m p u t e ra r c h i t e c t u r ed e v e l o p m e n t ，t h ec o n c e p to f n o r t hb r i d g ec o m e sa l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n t l a t e ri ts h o w sl i st h ef u n c t i o na n di m p o r t a n c eo fn o r t hb r i d g ef o rac o m p u t e r s y s t e m t h en o r t hb r i d g ed e s i g ni sf p g ab a s e dd i g i t a lc i r c u i td e s i g n ，i ti sd i f f e r e n tw i t ht h ep o p u l a r d i g i t a ll o g i cd e s i g n t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ew a y o f l a r g es c a l ed i g i t a lc i r c u i t sd e s i g n ， t h eb a s i cm e t h o da n dc o n c e p tf o rn o r t h b r i d g e 6 i ! ! ! 一 a f t e rt h a t ，t h ep a p e rc o m e st oi t sm a i np a r t ，t h ed e t a i lo fn o r t hb r i d g ed e s i g n i tf i r s tg i v e st h e d i a g r a m o f n o r t hb r i d g e ，t h e nd e s c r i b e sn i n es u bm o d u l e so f n o r t hb r i d g ei n d e p e n d e n t l y , t h e n i n e s u bm o d u l e sa r e m i p sc p ui n t e r f a c e ，s d r a mc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，p c ic o n t r o l l e ri n t e r f a c e d m ac o n t r o l l e r l o c a li oc o n t r o l l e r ，w i s h b o n eb u sa r b i t e r ，p c ib u sa r b i t e r ，i n t e r n a l r e g i s t e r a n d s y s t e mi n t e l t u p tc o n t r o l l e r e t c i nt h ef o u r t hc h a p t e r , s o m ea s s o c i a t et e c h n o l o g i e sw h i c hd i dm u c hh e l po nn o r t hb r i d g ed e s i g n a r ei n t r o d u c e dt h e s et e c l m o l o g i e si n c l u d es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dh a r d w a r ed e b u g b o a r d n e x tc h a p t e ri st h er e s u l to f p e r f o r m a n c et e s ta n dc o m p a r i n gw i t hs i m i l a rp r o d u c t st h r o u g ht h e s e r e s u l t ，i tg i v e so u ts o m e t h i n gt h a tn e e d e dt ob ed o n ei nf u t u r et h et e s td a t ai nt h i sc h a p t e rs h o w s t h a to u rn o r t hb r i d g ed e s i g ni sc o m p a t i b l ew i t hb o n i t 0 6 4 p e r f e c t l y a tt h el a s t c h a p t e r , i tg i v e s as h o r tc o n c l u s i o na n dh i g h l i g h to ft h ew h o l ed e s i g nad e t a i l i n f o r m a t i o nl i s tw h i c hr e c o r d e dt h ep r o c e s so fn o r t hb r i d g ed e v e l o p m e n ti sg i v e na tt h ea p p e n d i x o ft h i sp a p e r ，w h i c hs h o w su ss o m e t h i n gs h o u l db em e m o r i a l i z e dd u r i n gt h a tp e r i o d f h ed e s i g no fn o r t hb r i d g ei sav e r yc o m p l e xd i g i t a ll o g i c ，w h i c hc o n c e m sm a n ya r e a so f c o m p u t e rh a r d w a r e ，s o 1c a nn o tg i v et o o m a n yd e t a i l sd e s c r i p t i o n i nt h i s p a p e r , o n l yt h e a r c h i t e c t u r ei sp o s s i b l el o c a l i z a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi si o n ga n dd e v i o u sw a yf o ru s ，a t t l ed e v o t i o nf o rt h a ti st h eo n l yp u r p o s eo fm yr e s e a r c h 第f 章序；i 薹v 正文 第1 章序言 1 1 通用汁算机结构的发展 嘉程i 馨0 c = 二刊控制器!| 图1 - 1i a s t 篝飙结构 由图l _ i 可以看到第一代计算机结构相当简单，整体结构以处理器为中心附以简单的 o 矛少鬣的存罐器，主要舶功能是计筇，到了第一代豹晶蒋管计算机，诗算规黔复杂程 淡提高t 能够处理燕多的攀谤，开始出现瑗代计算税辩一些箍形，这个时期典蛩盼代表是 堂璺型堂垫垄查篓壁圭堂望鎏苎：垄茔：墨堡皇箜整堡鉴茎查兰婴兰翟生l 一 i b m 的7 0 0 0 系列计算机。如图l ，2 ，在i b m 7 0 9 4 结构中不辩以c p u 为中心，它出现了多 个数耀通道，多路器成为系统的中心。 匿1 - 2 i b m7 0 9 4 计算枧结梅 第三代憋集戏电黪计舞桩鞫第二饯没有转么太大戆交纯，是憝由予器 牛密度静握离， 比第二代计舞机的结构更复杂，也能够支持更多的外部i o 设备，这一时期啦典型代表是 i b m 的s y s t e m 3 6 0 。 塑! 望垦! 阕1 - 3i b ms y s t e m l 3 6 0 系统结构 1 9 8 1 年8 ， ! ；1 2 磊i b m 撵出了采穰i n t e l 的8 0 8 8 俸c p u 静i 6 位个入电越，它的结捣 体观r 第凹代计算机的一个特征比较强凋总线在计簿机系统中的作用。总线是一种计 算机系统的骨架，是连接各个功能部张：的纽带，它为多个系统部 之闻的数据传送提供公 共通路。采硐总线结构是计算机系统结构的一大进步，总线结构的好坏对系统性能有很火 的影响。总线在应刷中不断发展，逐渐形成了独立的专门技术。臼1 9 7 0 年羡国d e c 公司 髭其p d pll 2 0 小臻诗蓦撬上采嬲u n i h u s 以采，鑫穆搪壤钓、棼标准麴慧线纷纷露整。 由于它能简化系统设计、便于组织多家专业化大规模生产，降低产品成本、提高产品的性 能和质最、便于产晶的更新换代、满熙不同用户需求以及提高可维修性等，因面得以迅速 发蜒。如今，死乎嚣有的诗冀杭帮溅控系统户都采疆了慧线结稳。不营属予哪类总线， 它们有一个共同的作用，即通过公垌的信号线，可把计算机系统中的模板戏各种设备连成 个整体，以便进行彼此闻的数据交换。i b mp c x t 携结睾每姐鳖l - 4 ，整个系统以x t 总 线2 为中心，所有构设备都连簸在土面，通过它与其它设备进行数据交换。 x 。t 是8 i 罂璺登，1 9 8 4 年i b m 采用1 6 位c p u 后矗。x t 总线的赫础k i t t # 亍r1 6 位扩充形成a t 总线 坼准，也就是翳前还在使用的i s a 总线。 中国科学技术大学博士学位论文 “龙芯”系统中的北桥设计武杰2 0 0 3 年4 月 图1 - 4 i b mp c x t 系统结构 采用图1 4 总线结构的好处是显而易见的，但是这是一种单总线2 ( 图1 5 ) 的方式， 在这种结构中所有的数据交换都要通过系统总线完成，并且总线操作都要由c p u 或d m a 控制器来完成，这样就会导致c p u 花费大量的时间来控制外设的数据传送。随着i n t e l8 0 3 8 6 c p u 的推出，c p u 内部数据宽度增到3 2 位，c p u 处理能力大大提高，同时随着w i n d o w s 、 o s 2 等图形界面操作系统的出现，对系统存储器的访问量越来越大，传统的单总线方式显 然无法满足计算机技术发展的需求。这个时候开始出现多总线系统，即在计算机系统内部 同时出现两个以上的总线，高速设备之间通过局部高速总线进行数据交换，其它对数据吞 吐量要求不高的设备则仍然通过系统总线连接，多总线系统结构如图1 - 6 。高速的局部总 线和系统标准总线之间通过一个总线控制器进行连接，它相当于一个总线协议的转接桥， 负责两种总线之间的数据交换。 系统总线 图1 5 单总线结构 2 单总线就是所有的设备都公用同一个总线，它们之问的数据交换都由同一个总线通道完成 1 4 一 笙! 兰壁童一 _ 一一一 局部高 一速总线一 h c p u ( ：二= 二= ) r a m | 、 ，7 一= = 生二o ：兰= = 一_ j i 标准总线控制器l 。二二至三二一 一 系统总线 图1 6 多总线结构 真：把多总线技术应用到计算机系统中的应该是i n t e l 的p e n t i u m 系列计算机。它是一 个二总线系统，即它由( ：p u 的高速局部总线、p c i ，e 2 , 线和1 s a 总线三种构成( 图l 一7 ) 。 i n t e l 为tp e n t i u m 系列c p u 的推j “和应用，同时推出了它的主板控制芯片4 3 0 芯片组，它 和c p u 共同来组成一个完整的计算机系统。住4 3 0 芯片缎里引入了两个重要的概念“北 桥”和“南桥”，它们分别对应图1 7 中的8 2 4 3 9 和8 2 3 7 1 。这两个芯片负责系统三种总线 协议转换，一个靠近c p u 负责高速局部总线和p c i 总线、r a m 存储器之间的数据交换， 我们称之为北桥( 8 2 4 3 9 ) ：另一个靠近p c i 插槽附近集成有i d e 控制器、u s b 接口控制器 和i s a 总线控制器等我们称之为南桥( 8 2 3 7 1 ) 。之所以称之为南北桥，并没有什么特殊的 意义，只是根据它们一般在计算机主板上的位置，按照习惯上北下南罢了。 图1 7p e n t i u m 计算机系统结构 后米随着计算机技术的不断发展，市场上出现了多家公司推出的不同计算机架构，无 一例外全都采用南北桥的结构。出于商业的目的，各个不同的制造厂商根据其产品的特点 给南北娇芯片加上不同的称呼。例如n v i d i a 把n f o r c e 2 芯片组的北桥芯片称作i g p ( 整 合酗形处理器) 或者s p p ( 系统平台处理器) ，把南桥芯片称作是m c p ，m c p t ( 多媒体与 通讯处理器) ；而i n t e | 就把i s x x 系列芯片组的北桥芯片称作是g m c h ( 图形内存控制中 枢) 或者m c h ( 内存控制中枢) ，南桥芯片称作i c h ( 输入输出控制中枢) 。 北桥作为一个数据通路的中枢，工作量并不亚1 l 一块c p u ，北桥芯片的属性决定了主 板能支持哪一种显示 、c p u 、内存；而南桥芯片则决定了主扳可以使用哪一种i d e 设备、 仁匡仁仁 翁= 萤；i 中国科学技术大学博士学位论文 “龙芯”鬟统中的北耩设计戴杰2 0 0 3 年4 月 u s b 设备等等，南桥的功能相对北桥来说只多不少，只是这些功能的重要性相对北拼来说 就鬟次要一些7 。 计算机技术跌p e n t i u m 时代到现在融经过2 0 多年的发展，c p u 的主频已经从第一个 p e n t i t u n 的6 0 m h z 发展到现在的3 g h z ，但是对于计算机系统的结构却基本上没有什么大 改变秘然鼹“c p u + ：l l 掇+ 螽舞”瓣棱盛方式，瑟曼摄据疆藏楚发曩形势来看，寒来 一致时间内仍然是这种方式占主导地位，只是随着计算机技术的发展和对各种新技术的需 求计算机的结构在细节方面发生着一魑或多或少的变化。 f 露我雷】来看一番莲羲诗冀祝技术的发袋带来靛其俸变耽，蓄先c p u 的缝理能力越来 越商，与外设的数据交换量越来越大，目前c p u 的前端总线( f s b ，f r o n ts y s t e mb u s ) 频率 已经达到8 0 0 m h z ，这个时候p c i 总线鲍1 3 3 m b y t e s s 蛉数据传输搴不能再冀馁裹遮憨线， 所以在现在的结构中p c i 总线控制器一般都被移歪南桥，南j t 桥之间也不辩以p c i 总线作 为避接总线取而代之的是更高速的h u bl i n k 3 、v - l i n k 4 、m u l t i - t h r e a d e di ol i n k 以及h y p e r t r a n s p o r t 6 等憨线。计算规在多媒薅领域f l 冬广泛寝瘸傻褥诗算辊怼黼豫处理蠡鲁要求瑟蕊爵 高，这就要求c p u 在系统存储器和图像处理单元之间有更大带宽的数据通道，传统的计算 机照示处理单元一般接接在p c t 总线或i s a 总线上，远远达不到目前的要求，所以人们开 发爨7 速痉藏离静a g p ( a c c e l e m t e d g r a p h i e s p o r t ) 总线，最掰静a g p 3 0 支持a g p 8 带宽 已经达到2 1 g b s ，邀么高的数据率理所当然的由北桥来负责。同样对于存储器方面，也 从藤张蛉s d r a m 发嶷到了d d r ，对d d r 的支持冠撵体现在北褥上嚣，现在毙较漉簿赞 计冀机结梅如图1 8 所示。当然计算机技术还在飞速的发展，在我们进行现有系统开发的 时候就必须考虑到将来发展趋势，从图l - 9 和图卜l o 中可以看出，在未来的计算机结构 中熊辏将提供双逶遵鹣存旗器络秘，支持a g p 8 瑟p c ie x p r e s s 等筵高速静蕊线，龟裁是 说提供更高速率的数据交换通道始终是北桥技术的发展方向，北桥将在计算机系统发挥越 来越霆要的作用。 图1 8i n t e l 8 4 5 p e 芯片组 3h u b l i n k 是i m e l 豹技术 4v - l i n k 是v i a 的技术 5 m u l t i * t h r e a d e di ol i n k 蹙s i s 的技术 6r ，- p e rt r a n s p o r t 是a m d 的技术 6 翌! 里壁立一 图1 - 9i n t e l 8 7 5 芯片组 囝1 1 0i n t e l 8 8 5 芯片维 1 2“龙芯”系统介绍 中国青年报在2 0 0 2 年9 月2 9 日报i 蜜了题为首枚国产c p u “抛芯”l 号问世并投入使 1 7 中国科学技术大学博士学位论文“龙芯”系统中的北桥设计武杰2 0 0 3 年4 月 用的一片文章，在报道中说： 本报北京9 月2 8 日电一枚面积4 平方厘米，约包含4 0 0 万个晶体管的芯片，结束了中国大陆信息产 业无“芯”的历史。中国科学院今天在京宣布：我国拥有自主知识产权的“龙芯”1 号c p u 流片研制成功，可 人批量生产。 中国信息产业以前一直采用进口芯片。此间舆论认为，“龙芯”1 号c p u 的研制成功，标志着我国已打 破国外垄断，初步掌握了当代c p u 设计的关键技术“龙芯”i 号既是安全服务器的c p u 芯片又是通用 的嵌入式芯片，对形成我国有自主知识产权的计算机产业有重要推动作用“龙芯”l 号是我国第一款商品 化的通用高性能c p u 芯片，是中国科学院知识创新工程试点工作取得的重大成果。9 月2 2 日，“龙芯”己 通过r 中国科学院组织的成果鉴定。“龙芯”i 号c p u 芯片用0 1 8 微米c m o s 工艺实现，定点字长3 2 位， 浮点字长6 4 位流水线结构先进、效率高，主频可达2 6 6 m h z ，实测定点与双精度浮点运算速度均超过 每秒2 亿次。其样机的实测性能相当于1 9 9 7 年国际先进水平。“龙芯”1 号运行稳定可靠，可商品化生产。 它具有防缓冲区攻击的硬件设计，可以抵御一大类黑客和病毒攻击，适合做安全的网络服务器。“龙芯”1 号功耗低，可用于网络终端机、工业控制计算机等嵌入式设备鉴定委员会一致认为“龙芯”1 号居国内通 用c p u 研制领先水平。 龙芯一号c p u 是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入式c p u 特点的新一代3 2 位 c p u ，是以中国科学院计算技术研究所研制的通用c p u 为核心，由神卅i 龙芯公司拥有知识 产权。基于0 1 8 微米c m o s 工艺的龙芯一号3 2 位微处理器的投片成功，并通过了以s p e c c p u 2 0 0 0 为代表的批性能和功能测试程序的严格测试，标志着我国在现代通用微处理器 设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外c p u 产品的无“芯”的历史， 也标志着国产安全服务器c p u 和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。 龙芯一号在通用c p u 体系结构设计方面采用了许多先进的微处理器的设计与实现技 术，在动态流水线的具体实现和硬件对系统安全性的支持方面，有独特创新，并申请了专 利。 龙芯一号c p u 在片内提供了一种特别设计的硬件机制，可以抗御缓冲区溢出攻击。在 硬件上根本抵制了缓冲区溢出类攻击的危险，从而大大的增加的服务器的安全性。因此， 使州龙芯一号c p u 可以构成更为安全的网络安全服务器、网络安全网关、网际防火墙、服 务器网卡等对网络安全有特殊需求的产品及应用。基于龙芯c p u 的网络安全设备可以满足 国家政府部门、广大企业机关等对于网络与信息系统安全的需求。 龙芯一号c p u 采用0 1 8 u m c m o s 工艺制造，具有良好的低功耗特性，平均功耗o5 瓦 特，最大功耗不超过i 瓦特。因此，龙芯一号c p u 可以在大量的嵌入式应用领域中使用。 龙芯一号c p u 可以运行大量的现有应用软件与开发工具。支持最新版本的l i n u x 、 v x w o r k ，w i n d o w sc e 等操作系统。基于龙芯一号c p u 的服务器，可以运行a p a c h ew e b 、 f t p 、e m a i l 、n f s 、x w i n d o w 等服务器软件。 龙芯主要特征如表格l ，l 所示： 表格1 1 龙芯i 的主要技术指标 主频 2 0 0 m h z 一2 6 6 m h z 指令系统可运行3 2 位m i p s 指令 实现方法 0 1 8 u mc m o s 定点字长 3 2 位 浮点字长6 4 位 一级指令c a c h e8 k b 一级数据c a c h e8 k b 精确中断处理支持 第1 章序言 浮点标准 i e e e 7 5 4 体系结构技术特性支持寄存器换名、动态调度、乱序执行 工作电压i o ：3 3 v 内核：1 8 v 功耗 0 5 w 一1 w 总线频率7 5 m h z 1 3 3 m h z i封装方式 p q f p c q f p e s d保护有 龙芯系统不同于常见的p c 机系统，它是基于精简指令集( r i s c ) 的m i p s 系统。r i s c 是相对于复杂指令集( c i s c ) 的c p u 结构而言的，它是随着第四代计算机( v l s i 计算机) 而发展起来的。它摒弃了c i s c 结构中的微代码技术精简了c p u 的指令系统使得平均的指 令执行周期( c p i ) 接近于“l ”，因为它简化了c p u 的内部结构所以使得系统的运行时钟 频率大大提高，从总体上提高了系统的执行效率。所以说r s c 是一种比c i s c 更为先进的 计算机结构。 r i s c 结构细分下来又可分成u c b 结构、s p a r c 结构和m i p s 结构等多种结构，它们 之间有着不同的特点和优势，龙芯采取的是m i p s 结构。m i p s 是当今世界上很流行的一种 r i s c 处理器。m i p s 的意思是“没有内部相锁流水级的微处理器”( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t i n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e s ) 。其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最 早是在8 0 年代初期由斯坦福( s t a n f o r d ) 大学h e n n e s s y 教授领导的研究小组研制出来的。它 与加州柏克利大学p a t t e r s o n 教授领导下研制的r s c i 和i i 并列为世界上最早用v l s i 工艺 实现的k i s c 微处理器。在此基础上，由m i p s 公司设计并由其它若干微电子公司生产出 一系列的m i p s 产品r 2 0 0 0 、r 3 0 0 0 和r 4 0 0 0 等。这些系列产品已为很多大计算机公司， 如d e c 、c o m p a q 、s g i 、c d c 、等采用构成各种工作站和计算机系统。在这些有影响 的计算机公司发起下，还成立了一个由几十家公司组成的国际性组织，称为先进计算机环 境a c e ( a d v a n c e dc o m p u t e re n v i r o n m e n t ) ，力图使m i p s 体系结构成为一种国际化的标准 结构。由此可见，m i p s 是很值得重视和研究的。 1 3研究课题的意义 在当今的计算机结构中，芯片组的作用和地位已经越来越受到重视。通常认为c p u 是 微机系统的核心，但是它的主要任务只是完成对指令的处理。而控制芯片组的作用不仅要 支持c p u 的工作而且要控制和协调整个微机系统的正常运行。随着各种主板新技术的出 现，芯片组采用的技术有了非常大的变化和发展。任何种新技术都需要有控制芯片组的 支撑。在主板上升级c p u 是比较容易实现的( 跨代产品除外) ，而在主板上升级控制芯片 组是不可能的，所以说芯片组决定了一个计算机系统的结构。c p u 的性能对于微机整个系 统的性能有很大影响，但是对于微机的系统功能却没有真接的关系。例如，微机系统是否 支持a g p 、u l t r a a t a 技术并不取决于c p u 的性能。而控制芯片组不仅极大地影响了系 统整体性能，还决定了系统是否具有某些功能。例如在i n t e l 控制芯片组中、只有4 4 0 l x 以上的型号的产品才支持a g p 技术。从当今的微机结构来看，控制芯片组已经逐步取代 了c p u 而成为系统的几何核心和逻辑核心。所有的信息交换都是通过控制芯片组完成的， 而c p u 甚至可以看作是控制芯片组的一个“外部设备”。 北桥是芯片组中最为核心的一个部件，它反映了一个芯片组的性能和结构。它的发展 在p c 领域最为迅速，这是因为这个领域有着最活跃的市场作动力，在其它计算机系统的 领域中则针对各自不同的特点朝着适应自己系统的方向发展。对于像m i p s 这样的系统， 1 9 中筒科学技术大学博士学位论文 “龙芯”系统中的北桥设计武杰2 0 0 3 年4 月 它豹瘫翔更楚多群多群，簸袋入式系绞、瑶形阉像处理謦弼络路囱器痤矮等，不弼瓣领域 都宵它的身影。所以m i p s 公闭一般提供给用户的不是个具体的c p u 而是一个c p u 的 c o r e ，用户得到这个c o r e 的授权后就可以把它集成在自蠢的设计孛，每个爆户邦有鑫己的 方寰，困雨要开发出种通用的北桥芯片具育一定的难度。目前只有为数不多的国外几家 公司提供m i p s 系统的北桥芯片，很多的用户都是自己去开发适应于自己小系统的外围电 路，这样敲爨然可以蠢一定弱炙活性毽却璜热了一天笔嚣发蠡冬成本。 阐内虽然已经有少数的科研单位开始进行通用c p u 和嵌入式c p u 以及d s p 方衙的开 发工作，但是对于北桥尤其是m i p s 系统北桥的研发工作还处于起步阶段。疆开发出一套 竞熬豹诗算撬系统不仅援是对c p u 纛操作系统豹开发，稀盈还霞登计算机主( 背) 授番j 周 边设备技术的支持。我们正是本着这样一个目的和中科院计算所合作，开发一种通用的 m i p s 北桥芯片，它将配合“龙芯i i ”一起构成我们民族的计冀机系统。匿裁我 f l 实行靛是 兼容路线，初期豹开发以a l g o r i t h m i c s 公司的b o n i t 0 6 4 戴桥为样板，做到功能和引脚上与 之兼容，两者之间能够做到相互替换、兼容。 考虑爨乾掭霹能会惩予不瓣熬系统，著虽蘸覆挺鬟逡熬托掭技术蕊快速获曩，繇软在 开发过程中我们更看薰的是一个技术和缀验的积累过程，我们把北桥的各种功能进行模块 化处理，分别进行开发，做成一组可以进行功能裁减的i pc o r e 。这样就可以钟对不同的用 途方硬羲避行各静功熊筑缀合耩增减，阮方说我稻第一步蜜现是s d r a m 羧稍器，为了是 和现有的系统兼容，在将来条件允许的情况下完众可以再开发一个d d r 控制器的c o r e ， 那么只要把d d r 控制嚣的c o r e 替换现蠢的s d r a m 控铡爨部分就霹以进 子系统舞缓菇量 绦持其它部分不变，减少了不必要的重复劳动，如果需要的话也可以从北桥的模块中提取 出某一部分单独使用。所以说我们的北桥设计并不仅仅是为“龙芯”系统所作的一个桥， 它题一些菲零实耀接强及蕊线技术鹳缝会俸，这臻技术不仅霹鞋壤予诗箕撬系统，还霹戮 用在很多的电子学方面。并且通过北桥项目的实践，我们不仅对计算机的硬件结构有了一 个形象地认识，而且也学到了许多关于计算机系统软件方霹的知识，为将米的科磷工作积 桑了大量豹基穑知识。 笙! 童查塑堡墼兰墨竺堡生坌塑一一 第2 章大规模数字系统设计介绍 2 1集成电路设计方法的演变 最近3 0 年来，数字电路设计技术获得了飞速发展。最早的数字电路是用电子管和晶体 管构成的，直到逻辑门能做在单芯片上才出现了集成电路，最早的集成电路是只有很少门 数的小规模电路，随着技术的不断发展，出现t j l 百门的中规模集成电路和几千门的大规 模集成电路。从这时起，设计过程开始变得非常复杂，设计者已经感觉到自动化设计的必 要性。计算机辅助设计( c a d ) 的出现，使设计人员能够开始用电路和逻辑仿真技术来验证 大约1 0 0 万个晶体管左右的功能模块。当然，这种电路也可以在面包板上进行测试。随着 超大规模集成电路技术的出现，可以在单芯片上集成上万个晶体管，由于电路的复杂程度 越来越高，在面包板上验证电路已经不太可能，计算机辅助技术成为设计和验证超大规模 集成电路的关键。 随着集成电路的深亚微米制造技术、设计技术的迅速发展，集成电路已进入片上系统 时代。所谓的片上系统，又称为系统级芯片，就是系统级集成电路，其英文缩写为 s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 或者s l l ( s y s t e ml e v e li c ) 。系统级集成电路( s o c ) 在单一硅芯片上 实现信号采集、转换、存储、处理和i o 等功能，或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、 模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、m p u 、m c u 、d s p 等，实现了一个系统的功 能。s o c 是在a s i c 的基础上发展起来的电路，它与a s i c 完全不同，具有很多独特的优 点： s o c 增加了功能；从单一功能增加到多个功能，实现了一个系统的功能，达到了高速、 高集成度和低功耗。 s o c 大大降低了整机的成本；过去构成一个系统需用多块芯片，现在只要一块s o c 就够了。 s o c 大大降低了整机的体积；这是系统制造进一步发展的方向，尤其对于便携式的电 脑、通信及多媒体产品的生产厂家更具有吸引力。 s o c 促进了整机系统更新换代的速度；它缩短了供需双方之间的差距，使整机更受用 户的欢迎，便于占领市场。 s o c 的这些优点正好顺应了通信、电脑、消费类电子产品向轻、薄、短和耗电少的发 展方向，因此市场对s o c 产品有强烈的需求。目前s o c 是微电子产业界最热门的话题之 一，如果说v l s i 促进了p c 的广泛应用而带来了信息产业的第一次革命，那么s o c 的发 展正在带来信息产业的第二次革命。美国、日本和欧洲许多国家的半导体公司纷纷加大对 s o c 生产线的投资力度，建立0 ，t 5 u m - 0 2 0um 加： 线用以生产s o c 。例如n e c 公司为生