我的中國“芯” | 北大眾志PKUnity86-3：國產(chǎn)32位X86兼容處理器

2015/05/13作者：張禮東

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國產(chǎn) CPU 大都是基于 MIPS 架構(gòu)的再開發(fā)產(chǎn)品，中科院計(jì)算所、君正等在 MIPS 架構(gòu)的基礎(chǔ)上不斷耕耘，成果斐然。雖然以 MIPS 為基礎(chǔ)但是和原來的 MIPS 有很大的不同，可以說是面目全非，有很多自己創(chuàng)新的東西在里面，自主開發(fā)指令集、架構(gòu)的演變等等。國內(nèi)處理器技術(shù)的進(jìn)步有目可睹。

MIPS 不可否認(rèn)是一個(gè)極為優(yōu)秀的架構(gòu)，而且基于其開發(fā)寫出來的處理器的性價(jià)比也很高，但是市場情況卻一片慘淡。根源就在于 MIPS 短缺的生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)（可能是因?yàn)閲顺陨鷳B(tài)系統(tǒng)的虧太多，所以現(xiàn)在很多企業(yè)盲目地一擁而上大搞生態(tài)建設(shè)），眾所周知 CPU 的競爭不僅僅是 CPU 本省的競爭，而是整個(gè)生態(tài)鏈的競爭。另一個(gè)眾所周知的事情是 X86 架構(gòu)本身缺點(diǎn)明顯，在性能上根本沒有競爭力。但是整個(gè)生態(tài)鏈?zhǔn)且运鼮橹行慕ㄔO(shè)起來的，想換掉它就要顛覆整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。利益牽扯之下產(chǎn)業(yè)鏈各方只有默認(rèn)（大家想想國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就知道了，但是可惜沒有一個(gè)像中國政府這樣的國家機(jī)器來干預(yù) CPU 產(chǎn)業(yè)鏈。）。

人在我屋檐下不得不低頭，于是龍芯等 MIPS 架構(gòu)的 CPU 開始通過二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器兼容 X86 平臺(tái)，這樣才能融入到產(chǎn)業(yè)鏈之中，但是這樣做肯定要拉慢 CPU 本身的運(yùn)行速度(有舍才有得)。鑒于其他架構(gòu)的先天生態(tài)不足，北大眾志直接向 X86 投誠。將 X86 引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，退出了基于自主設(shè)計(jì)的 32 位 X86 兼容處理器的 PKUnity86-3 CPU 系統(tǒng)芯片。

北大眾志 PKUnity86-3 實(shí)物圖

PKUnity86-3 是以 AMD 授權(quán)的 X86?指令系統(tǒng)為基礎(chǔ)，面向 MS Windows 兼容的需求，集成高速 / 低速輸入輸出部件及系統(tǒng)控制部件，自主設(shè)計(jì)了完整的自主 X86 兼容單芯片計(jì)算機(jī)解決方案?？梢酝耆嫒?Windows98/ WindowsXP/ Windows XP Embedded/ Windows7/ Windows Embedded Standard 7/Linux 等操作系統(tǒng)，并流暢運(yùn)行基于 Windows 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，具備強(qiáng)大的多媒體視頻編解碼能力。采用 40nm 生產(chǎn)工藝，CPU 典型工作頻率 1.8GHz，峰值功耗 5W。

PKUnity86-3 將 X86 兼容微處理器核、UniCore-2 微處理器核、SuperV_EF01?DSP核三核集成在單芯片里。X86 兼容微處理器核兼容 32 位 X86 指令系統(tǒng)，8 級(jí)流水線，浮點(diǎn)協(xié)處理器核支持 X87、MMX、3DNow!指令系統(tǒng)，分離的 16KB L1 I-Cache 和 16KB L1 D-Cache，內(nèi)置分支預(yù)測和返回棧。UniCore-2 微處理器核是 32 位 RISC 定點(diǎn)處理器核、64 位浮點(diǎn)協(xié)處理器，符合 IEEE 754-1985 標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度操作，128 位 SIMD 定點(diǎn) / 浮點(diǎn)擴(kuò)展指令系統(tǒng)
，分離的 32KB 一級(jí)指令 Cache 和 32KB 一級(jí)數(shù)據(jù) Cache，512KB 二級(jí) Cache，支持 ECC 校驗(yàn)并提供糾錯(cuò)功能。

SuperV_EF01 DSP 核是 32 位 4 發(fā)射超長指令字構(gòu)架 DSP 核，支持單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）數(shù)據(jù)操作，支持 8/16/32 位定點(diǎn)操作，支持 IEEE 754 浮點(diǎn)單精度運(yùn)算，運(yùn)行頻率為 1GHz，性能為 2G MACs（乘加操作），分離的 8KB 一級(jí)指令 Cache 和 16KB 一級(jí)數(shù)據(jù) Cache，512KB Scratchpad 存儲(chǔ)，以及相應(yīng)的 DMA 支持。

北大眾志 PKUnity86-3 系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)圖

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圖形圖像子系統(tǒng)部分有 2D/3D 圖形加速部件支持 OpenGL ES1.1/2.0 和 OpenVG，雙路 32 位色深顯示通路，每路支持 1920x1200 分辨率和 VGA、LVDS?及 HDMI 顯示接口。多格式圖像編解碼部件支持 H.264、MPEG-4、DivX、H.263、Sorenson Spark、VC-1/WMV-9、MPEG-2、Real Video、AVS、MJPEG 格式的全高清 1080P 30fps 實(shí)時(shí)解碼，支持 H.264、MPEG-4、H.263、MJPEG 格式的高清 720P 30fps 實(shí)時(shí)編碼。同時(shí)可以動(dòng)態(tài)變頻與智能低功耗管理。

存儲(chǔ)控制器子系統(tǒng)支持?DDR2/3 SDRAM，1333MHz 數(shù)據(jù)傳輸率，支持可配置的 32 位數(shù)據(jù)位寬，支持 32GB 存儲(chǔ)空間。高速接口部分支持?SPI?接口 NOR Flash，支持 Motorola SPI、TI 串行協(xié)議和 Microwire 三種串行協(xié)議，支持 10/100/1000Mbps 數(shù)據(jù)傳輸率，提供 MII 和 GMII 標(biāo)準(zhǔn)接口。支持 USB 2.0 協(xié)議，支持高速(480 Mbps) 、全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)模式，支持 OTG(On-The-Go) 功能，提供 ULPI 接口。支持 PIO、多字 DMA、Ultra ATA 的 33/66/100/133MHz 的傳輸模式。支持 32 位、33M/66M PCI 2.2 規(guī)范，支持多區(qū)間地址映射，6 個(gè) DMA 通道，均可支持雙向傳輸，提供存儲(chǔ)器到外設(shè)、外設(shè)到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸。

低速接口有 I2C，支持 100Kb/s 和 400Kb/s 兩種速度模式，UART?支持 16550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持紅外接口，I2S 支持 8 聲道放音和錄音，192K 采樣率。AC97 支持 2 聲道放音和錄音，48K 采樣率，SPDIF 支持單 /?雙通道?16 位音頻格式，非線性音頻(DTS/AC3)格式，最大采樣頻率 192KHz，MMC/SD 支持 SD/SDHC/MMC 卡，32GB 容量，PS/2 支持 PS/2 鍵盤、鼠標(biāo)及滾輪擴(kuò)展。

基于 PKUnity86-3 的筆記本電腦

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從總的結(jié)構(gòu)性能看來，PKUnity86-3 有點(diǎn)四不像。相比于市場上的主流產(chǎn)品，PKUnity86-3 破天荒地在一個(gè)芯片中使用了兩種架構(gòu)，在異體架構(gòu)中也屬于奇葩。除了架構(gòu)核心的創(chuàng)新之外，在存儲(chǔ)、計(jì)算、結(jié)構(gòu)方面與傳統(tǒng)的 CPU 也有很多的不同。國人從中也確確實(shí)實(shí)地看到了中國自己處理器的影子。世上本沒路，走的人多了也便成了路。