芯經(jīng)驗—指令集、ARM、FPGA、DSP、RISC-V介紹

1.指令集

在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，指令集是一切軟硬件生態(tài)的起點。指令為引導(dǎo)硬件的工作方式，集為集合。常用的指令集主要分為兩類，復(fù)雜指令集（CISC：Complex Instruction Set Computing）和精簡指令集（RISC：Reduced Instruction Set Computer），CISC指令集豐富，對常用功能還是特殊功能都有特定的指令集，但是每個指令位數(shù)都較長。執(zhí)行效率以及處理數(shù)據(jù)效率較低，但對特殊功能還是常用功能都較容易編寫。RISC指令集中的指令相對較少，多數(shù)為常用的指令，他們具有簡單高效的特點。對不常用的功能，常通過組合指令來完成，因此，在RISC機器上實現(xiàn)特殊功能時，效率可能較低，但可以用流水技術(shù)和超標量技術(shù)加以改進和彌補。

2.ARM

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM處理器的內(nèi)核是統(tǒng)一的，由ARM公司提供，而片內(nèi)部件則是多樣的，由各大半導(dǎo)體公司設(shè)計，這使得ARM設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的時候，可以基于同樣的核心，使用不同的片內(nèi)外設(shè)。ARM是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器，其內(nèi)部硬件資源的性能較高，可以加載操作系統(tǒng)成為其主要特點，有了操作系統(tǒng)，就可以像PC機那樣多任務(wù)實時處理，就是同一時間內(nèi)能完成多個任務(wù)，而且不會互相影響。ARM的芯片精髓在“R”，是RISC精簡指令集的意思，和傳統(tǒng)大型機以及PC微處理器采用的指令系統(tǒng)相比，RISC指令集根據(jù)80%的時候只用到了20%的處理器指令的狀況，使用了經(jīng)過精簡設(shè)計的指令系統(tǒng)，使得整個處理器的設(shè)計可以更加簡潔，功耗、體積大大縮小，所以ARM在目前的手機、平板等智能移動設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。隨著ARM處理能力的不斷增強，加上其功耗小的特點，也不斷在擴展其企業(yè)級服務(wù)器集群應(yīng)用的可能性，為企業(yè)降低能耗成本。

3.FPGA

FPGA是(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74電路，都可以用FPGA來實現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無需專用的FPGA 編程器，只需用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

4.DSP

DSP（Digital Signal Processor）即數(shù)字信號處理器，其最大的特點是擁有強大數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)字信號處理的實時性和高運行速度。一個數(shù)字信號處理器在一塊不大的芯片內(nèi)包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個微型計算機。DSP采用的是哈佛設(shè)計，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時就可取出下一條指令，并進行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度。DSP芯片強調(diào)數(shù)字信號處理的實時性，DSP實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序。DSP器件比16位單片機單指令執(zhí)行時間快8～10倍，完成一次乘加運算快16～30倍。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。由于它運算能力很強，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復(fù)雜的應(yīng)用提供了一條有效途徑。

中科昊芯HX2000系列產(chǎn)品——2802X

5.區(qū)別

ARM：具有比較強的事務(wù)管理功能，可以用來跑界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面；ARM是32位的單片機，其內(nèi)部硬件資源的性能較高，可以加載操作系統(tǒng)成為其主要特點，有了操作系統(tǒng)，就可以像pc機那樣多任務(wù)實時處理，就是同一時間內(nèi)能完成多個任務(wù)，而且不會互相影響。

DSP：DSP是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，優(yōu)勢是強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度；

FPGA：可以用VHDL或Verilog HDL來編程，靈活性強，由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進行設(shè)計開發(fā)和驗證。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGA的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進行系統(tǒng)升級或除錯。

6.RISC-V

RISC-V是一個基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構(gòu)（ISA），V表示為第五代RISC，可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。RISC-V的不同尋常之處，除了在于它是最近誕生的和開源的以外，還在于：和幾乎所有以往的ISA不同，它是模塊化的。它的核心是一個名為RV32I的基礎(chǔ)ISA，運行一個完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠不會改變。這為編譯器編寫者，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的目標。模塊化來源于可選的標準擴展，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，硬件可以包含或不包含這些擴展。這種模塊化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特點，而這對于嵌入式應(yīng)用可能至關(guān)重要。RISC-V編譯器得知當前硬件包含哪些擴展后，便可以生成當前硬件條件下的最佳代碼。

RISC-V特點:

①指令只有六種格式，并且所有的指令都是32 位長，這簡化了指令解碼。ARM-32， 還有更典型的 x86-32 都有許多不同的指令格式，使得解碼部件在低端實現(xiàn)中偏昂貴，在中高端處理器設(shè)計中容易帶來性能挑戰(zhàn)。

②RISC-V 指令提供三個寄存器操作數(shù)，而不是像 x86-32 一樣，讓源操作數(shù)和目的操作數(shù)共享一個字段。當一個操作天然就需要有三個不同的操作數(shù)，但是 ISA 只提供了兩個操作數(shù)時，編譯器或者匯編程序程序員就需要多使用 一條 move（搬運）指令，來保存目的寄存器的值。

③在 RISC-V 中對于所有指令，要讀寫的寄存器的標識符總是在同一位置，意味著在解碼指令之前，就可以先開始訪問寄存器。

④這些格式的立即數(shù)字段總是符號擴展，符號位總是在指令中最高位。這意味著可能成為關(guān)鍵路徑的立即數(shù)符號擴展，可以在指令解碼之前進行。

7. 中科昊芯HX2000系列產(chǎn)品

HX2000系列是基于RISC-V的數(shù)字信號處理器（DSP），該芯片集成了中科昊芯自主研發(fā)的H28x內(nèi)核同時具備基礎(chǔ)指令以及自研專用DSP指令，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。增大數(shù)據(jù)總線帶寬，有效提升數(shù)據(jù)吞吐量。具有獨特指令集的FIR 濾波器進一步提高數(shù)據(jù)處理速度。同時，擁有一套自己的工具，Haawking IDE、HX-LINK Downloader(JTAG下載器)、Haawking Flasher(串口下載器)，同時也支持第三方的離線燒錄工具，完整保持與國際主流產(chǎn)品在軟件開發(fā)和引腳封裝方面的兼容性，實現(xiàn)代碼移植的簡便，有效縮短開發(fā)周期，橫向?qū)薃RM M4成本及功能，具有優(yōu)勢，包括2802X、2803X、2833X、28002X、2837X等主流產(chǎn)品，涵蓋DSP 90%以上的應(yīng)用場景。

中科昊芯HX2000系列產(chǎn)品——2803X、2833X

關(guān)于中科昊芯

“智由芯生 創(chuàng)享未來”，中科昊芯是數(shù)字信號處理器專業(yè)供應(yīng)商。作為中國科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)，瞄準國際前沿芯片設(shè)計技術(shù)，依托多年積累的雄厚技術(shù)實力及對產(chǎn)業(yè)鏈的理解，以開放積極的心態(tài)，基于開源指令集架構(gòu)RISC-V，打造多個系列數(shù)字信號處理器產(chǎn)品，并構(gòu)建完善的處理器產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及電機驅(qū)動、數(shù)字電源、光伏、儲能、新能源汽車、消費電子、白色家電等領(lǐng)域。