方舟CPU体系结构及其嵌入式SOC

　　1引言

　　随着后PC时代的到来,嵌入式系统已被广泛用于航空、航天、军事、测控、医学等众多领域。嵌入式系统包括硬件和软件2部分,硬件包括处理器/微处理器、存储器、I/O端口、外设器件等,软件包括操作系统软件和应用程序。其中,嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式微处理器又称为片上系统(SystemOnChip,SOC),与传统计算机中的CPU相比,嵌入式微处理器更加专业化,具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。SOC芯片中通常包括一定容量的存储器(ROM,RAM,FLASH)、总线接口、常用设备控制器、外设器件等,从而大大减少了基于SOC的系统的体积和复杂性。方舟科技是我国第一家嵌入式CPU提供商,2001年发布的Arca1 CPU,是我国历史上第一款实用的32位RISC微处理器,2002年发布的Arca2CPU,在技术指标上已达到ARM和MIPS的水平。目前,方舟微处理器已应用于网络终端、金融税务专用机、VPN和网关等设备。在国防和军事领域,国产CPU的选取和使用更为重要,因此,本文研究探讨了方舟CPU的体系结构及其嵌入式SOC,对系统设计时CPU的选型具有借鉴意义。

　　2方舟体系结构

　　体系结构是微处理器的灵魂,作为一种RISC体系结构的微处理器,方舟微处理器不但具有RISC体系结构的典型特征,同时他又是一套具有自主知识产权的全新的、高性能、低功耗的指令体系结构。

　　2.1数据的类型与组织

　　方舟支持的数据类型有Byte(8b)、Halfword(16b)、Word(32b)三种。仅有load/store指令可以操作8位和16位数据类型,并且当数据装入时,load/store指令可自动进行零扩展和符号扩展;而其余指令只能操作32位数据。数据在寄存器中的组织方式如图1所示,0位存放数据的最低位,而31位、15位和7位分别存放32位数据、16位数据和8位数据的最高位。

　　图1寄存器中数据组织方式

　　与ARM体系结构类似,方舟体系中存储器的数据组织方法也采用big-endian和little-endian两种格式。每个字单元包含4个字节单元和2个半字单元,1个半字单元包含2个字节单元,但在字单元中,不同的存储格式字节的排列顺序不一样,如图2所示。通常,采用littleendian格式。

　　图2两种存储系统字节排列排序

　　2.2处理器模式

　　方舟处理器提供2种运行模式:用户模式(usermode)和特权模式(supervisormode)。两种模式的切换受软件控制,仅在有异常发生时才使处理器从用户模式切换到特权模式,同时仅有RTE指令可以使处理器从特权模式切换到用户模式。大部分应用程序在用户模式下运行。当处理器处于用户模式时,所执行的程序不但无法访问一些已保护的系统资源,而且也不能改变模式,否则会导致异常发生。因此,需要设计一个合适的操作系统来控制系统资源的使用。当处理器处于特权模式时,应用程序不但可以访问所有的系统资源,而且能够自由地进行模式切换,所以系统控制指令也仅能在特权模式下使用。与其他微处理器相比,方舟精炼的特权模式模型,可以大大简化操作系统等系统软件的编写、移植和维护。