我的中国“芯” | 北大众志PKUnity86-3:国产32位X86兼容处理器

  • 2015/05/13

 

国产 CPU 大都是基于 MIPS 架构的再开发产品,中科院计算所、君正等在 MIPS 架构的基础上不断耕耘,成果斐然。虽然以 MIPS 为基础但是和原来的 MIPS 有很大的不同,可以说是面目全非,有很多自己创新的东西在里面,自主开发指令集、架构的演变等等。国内处理器技术的进步有目可睹。

MIPS 不可否认是一个极为优秀的架构,而且基于其开发写出来的处理器的性价比也很高,但是市场情况却一片惨淡。根源就在于 MIPS 短缺的生态系统建设(可能是因为国人吃生态系统的亏太多,所以现在很多企业盲目地一拥而上大搞生态建设),众所周知 CPU 的竞争不仅仅是 CPU 本省的竞争,而是整个生态链的竞争。另一个众所周知的事情是 X86 架构本身缺点明显,在性能上根本没有竞争力。但是整个生态链是以它为中心建设起来的,想换掉它就要颠覆整个产业链。利益牵扯之下产业链各方只有默认(大家想想国内的网络建设就知道了,但是可惜没有一个像中国政府这样的国家机器来干预 CPU 产业链。)。

人在我屋檐下不得不低头,于是龙芯等 MIPS 架构的 CPU 开始通过二进制转换器兼容 X86 平台,这样才能融入到产业链之中,但是这样做肯定要拉慢 CPU 本身的运行速度(有舍才有得)。鉴于其他架构的先天生态不足,北大众志直接向 X86 投诚。将 X86 引进消化吸收再创新,退出了基于自主设计的 32 位 X86 兼容处理器的 PKUnity86-3 CPU 系统芯片

北大众志 PKUnity86-3 实物图

PKUnity86-3 是以 AMD 授权的 X86 指令系统为基础,面向 MS Windows 兼容的需求,集成高速 / 低速输入输出部件及系统控制部件,自主设计了完整的自主 X86 兼容单芯片计算机解决方案。可以完全兼容 Windows98/ WindowsXP/ Windows XP Embedded/ Windows7/ Windows Embedded Standard 7/Linux 等操作系统,并流畅运行基于 Windows 操作系统的应用程序,具备强大的多媒体视频编解码能力。采用 40nm 生产工艺,CPU 典型工作频率 1.8GHz,峰值功耗 5W。

PKUnity86-3 将 X86 兼容微处理器核、UniCore-2 微处理器核、SuperV_EF01 DSP 核三核集成在单芯片里。X86 兼容微处理器核兼容 32 位 X86 指令系统,8 级流水线,浮点协处理器核支持 X87、MMX、3DNow!指令系统,分离的 16KB L1 I-Cache 和 16KB L1 D-Cache,内置分支预测和返回栈。UniCore-2 微处理器核是 32 位 RISC 定点处理器核、64 位浮点协处理器,符合 IEEE 754-1985 标准的单精度和双精度操作,128 位 SIMD 定点 / 浮点扩展指令系统
,分离的 32KB 一级指令 Cache 和 32KB 一级数据 Cache,512KB 二级 Cache,支持 ECC 校验并提供纠错功能。

SuperV_EF01 DSP 核是 32 位 4 发射超长指令字构架 DSP 核,支持单指令流多数据流(SIMD)数据操作,支持 8/16/32 位定点操作,支持 IEEE 754 浮点单精度运算,运行频率为 1GHz,性能为 2G MACs(乘加操作),分离的 8KB 一级指令 Cache 和 16KB 一级数据 Cache,512KB Scratchpad 存储,以及相应的 DMA 支持。

北大众志 PKUnity86-3 系统芯片结构图

 

 

图形图像子系统部分有 2D/3D 图形加速部件支持 OpenGL ES1.1/2.0 和 OpenVG,双路 32 位色深显示通路,每路支持 1920x1200 分辨率和 VGALVDS 及 HDMI 显示接口。多格式图像编解码部件支持 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 实时解码,支持 H.264、MPEG-4、H.263、MJPEG 格式的高清 720P 30fps 实时编码。同时可以动态变频与智能低功耗管理。

存储控制器子系统支持 DDR2/3 SDRAM,1333MHz 数据传输率,支持可配置的 32 位数据位宽,支持 32GB 存储空间。高速接口部分支持 SPI 接口 NOR Flash,支持 Motorola SPI、TI 串行协议和 Microwire 三种串行协议,支持 10/100/1000Mbps 数据传输率,提供 MII 和 GMII 标准接口。支持 USB 2.0 协议,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 的传输模式。支持 32 位、33M/66M PCI 2.2 规范,支持多区间地址映射,6 个 DMA 通道,均可支持双向传输,提供存储器到外设、外设到存储器和存储器到存储器的数据传输。

低速接口有 I2C,支持 100Kb/s 和 400Kb/s 两种速度模式,UART 支持 16550 工业标准,支持红外接口,I2S 支持 8 声道放音和录音,192K 采样率。AC97 支持 2 声道放音和录音,48K 采样率,SPDIF 支持单 / 双通道 16 位音频格式,非线性音频(DTS/AC3)格式,最大采样频率 192KHz,MMC/SD 支持 SD/SDHC/MMC 卡,32GB 容量,PS/2 支持 PS/2 键盘、鼠标及滚轮扩展。

基于 PKUnity86-3 的笔记本电脑

 

从总的结构性能看来,PKUnity86-3 有点四不像。相比于市场上的主流产品,PKUnity86-3 破天荒地在一个芯片中使用了两种架构,在异体架构中也属于奇葩。除了架构核心的创新之外,在存储、计算、结构方面与传统的 CPU 也有很多的不同。国人从中也确确实实地看到了中国自己处理器的影子。世上本没路,走的人多了也便成了路。

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