开放性32位RISC处理器IP核的比较与分析

引言

　　随着VLSI设计技术和深亚微米制造技术的飞速发展， SOC (System on Chip ) 技术逐渐成为了集成电路设计的主流技术。SOC 已经在便携式手持设备、无线网络终端和多媒体娱乐设备等领域得到了广泛的应用。

　　高性能的处理器核是SOC设计中最为关键和核心的部分。绝大多数SOC 的处理器都采用了RISC体系结构。RISC 处理器具有指令效率高、电路面积小和功率消耗低等特点， 满足了SOC 高性能、低成本和低功耗的设计要工字电感器求。目前在SOC 设计中广泛使用的32bit RISC 处理器， 如ARM 公司的ARM 处理器， IBM 的PowerPC 处理器，MIPS 公司的MIPS 处理器，Motorola 的MCore 处理器， Tensilica 公司的Xtensa 处理器等均属于商业内核， 使用者必须支付相对昂贵的授权费。

　　近年来开放源代码运动迅速发展， 开放性源码的概念已经从软件领域(如Linux， Gcc，MySQL 等)扩展到了硬件领域，出现了像OpenCores 这样专门发布免费的IP核源代码的组织。本文比较和分析了三种“免费”的开放性32bit 处理器内核： GaislerResearch 公司的LEON2， OpenCores 组织公布的OpenRISC1200 和Altera 公司的NiosII。这三种开放性处理器凭借其高性能、低成本， 良好的可配置性和完善的开发环境， 受到了学术界和工业界的普遍重视。

　　LEON2

　　LEON 系列32位RISC 处理器核的第一个版本是 EON1， 它是由欧洲航天局(European SpaceAgency) 主持设计开发的。LEON1 的设计初衷是为了使欧洲能够摆脱在航空航天高性能嵌入式处理器上对美国的严重依赖。以Jiri Gaisler为首的设计团队在完成LEON1 后从欧洲航天局独立出来， 成立了Gaisler Research 公司， 相继推出了LEON2 和LEON3 处理器。LEON 系列处理器软核均以RTL级VHDL 源代码形式免费公布， 使用者可以在GNULGPL (Library General Public License ) 下对其源代码进行使用和研究。LEON 系列处理器在结构上有很高的一致性和继承性，我们选用比较稳定的L EON221.0.222xst 版本进行研究分析。其结构框图如图1所示：

　　

　　图1　LEON2 结构框图

　　LEON2 的整数处理单元是5 级流水线设计， 采用了SPARCV8 ( IEEE-1754) 指令和体系结构， 具有分离的数据Cache和指令Cache。LEON2 的整数单元包括一个可选的16×16的MAC 单元， 能够完成基本的DSP运算， 同时还提供了浮点运算单元(FPU)的接口和协处理器(CP)的接口， 可以扩展浮点运算和DSP处理。

　　LEON2 选用了ARM公司的AMBA2.0 片上总线标准， 用于连接内存控制器(MemoryController ) ， 定时器( Timers ) ， 中断控制器( IrqCtrl) ，UART 接口， PCI 接口， 10/100M 以太网接口等模块。L EON 2 同时还提供了一个调试支持单元(Debug Support Unit) 和一个调试串口(DebugSerial Link) ，用于支持片内调试。

　　LEON2 的一个非常重要的特点就是具有很好的可配置性。使用者根据自己的需要， 通过一个用tcltk 脚本编写的图形化界面， 对LEON2 内核的绝大多数模块进行配置， 比如可以配置Cache 的大小和访问方式， 是否支持硬件乘?除法，是否需要内存管理单元(MMU)差模电感器， PCI 接口， 以太网接电感器生产口等。

　　Gaisler Research 公司提供了比较完善的基于L EON 2 的GNU 软件开发环境。使用者可以使用TSIM 或GRMON进行LEON 内核的调试仿真。 ECCS 是专门针对LEON 的交叉编译系统， 可以进行C/C+ + 的编译和调试。SnapGearLinux 是基于LClinux 的实时Linux 内核， 它的LEON 版提供了对LEON 处理器的全面支持， 可以支持MMU和NOMMU等不同配置方案。

　　OpenRISC1200

　　OpenRISC1000系列处理器是开放IP 核源代码组织Opencores 公布的32*64位处理器软核。使用者可以在GNULGPL 下免费使用其RTL 级的Verilog源代码。OpenRISC1000 系列处理器有很多版本， 我们选用了目前最新的OpenRISC1200 进行研究分析， 其结构如图2所示：

　　

电感器类型

　　图2　Open插件电感器RISC1200 结构框图

　　Op enRISC1200 采用了自主设计的OpenRISC1000 体系结构和自定义的ORBIS32 指令集。OpenRISC1200 是Harvard 结构设计， 拥有一个5 级流水线的整数单元。OpenRISC1200 有一个32×32 的MAC 单元， 具备基本的DSP处理功能。

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