[发明专利]基于RISC-V指令集的二级流水线架构

说明书

本发明公开了一种基于RISC‑V指令集的二级流水线架构，包括：取指令单元、执行单元、数据读写单元、长流水线数据处理单元、扩展加速接口协处理器、回写整数通用寄存器和总线接口单元，取指令单元取出指令后通过IR寄存器将指令发送至执行单元，时通过PC寄存器将指令的PC值发送至执行单元，执行单元根据接收的指令和指令PC值对指令进行译码和派遣，执行单元通过译码出的操作数寄存器索引读取回写整数通用寄存器，执行单元将指令派遣给各运输模块进行运算，执行单元将指令运算的结果写回至回写整数通用寄存器，总线接口单元用于辅助指令传输，通过在处理器内核中采用两级流水线架构，以达到降低处理器内核架构成本、提高处理器性能的目的。

技术领域

本发明涉及低功耗处理器内核架构，具体涉及一种基于RISC-V指令集的二级流水线架构。

背景技术

在传统的计算机体系结构分类中，处理器应用分为3个领域，分别为：服务器领域、PC领域和嵌入式领域。目前在服务器领域和PC领域，x86架构是当之无愧的巨无霸，没有指令集架构可撼动其垄断地位。近年来，随着各种新技术的进一步发展，嵌入式领域本身也被发展成了几个不同的子领域。首先是伴随智能手机(Mobile Smart Phone)和手持设备(Mobile Device)的发展，移动领域逐渐发展成了规模可匹敌甚至超过PC领域的一个独立领域，其主要由ARM的Cotex-A系列处理器架构所垄断。由于其对软件生态的严重依赖，使得其他的处理器架构很难再进入该领域。其次是实时(Real Time)嵌入式领域，虽然其对软件生态的的依赖性相对没有那么严重，但是由于ARM处理器IP商业推广的成功，其处理器架构占据了大多数的市场份额，其他处理器架构如Synopsys ARC等也有不错的市场成绩。最后是深嵌入式领域，该领域更类似传统嵌入式领域。该领域的需求量非常之大，但往往注重低功耗、低成本和高能效比，同时该领域对软件生态的依赖性相对比较低，在该领域很难形成绝对的垄断，然而由于ARM处理IP商业推广的成功，目前以ARM的Cotex-M处理器占据了大多数的市场份额，其他的架构如Synopsys ARC和Andes等也有不错的表现。

Cotex-M是一组用于低功耗微控制器领域的32位RISC处理器系列，包括：

Cotex-M3，于2004年发布，流水线深度是3级，面向标准嵌入式市场的高性能低成本ARM处理器。

Cotex-M1，于2007年发布，流水线深度是3级，专门面向FPGA中设计实现的ARM处理器。

Cotex-M0，于2009年发布，流水线深度是3级，面积最小和能耗极低的ARM处理器。

Cotex-M4，于2010年发布，流水线深度是3级，在M3基础上增加单精度浮点、DSP功能以满足数字信号控制市场的ARM处理器。

Cotex-M0+，于2012年发布，流水线深度是2级，在M0基础上进一步降低功耗的ARM处理器。

Cotex-M7，于2014年发布，流水线深度是6级，超标量设计，配备分支预测单元，不仅支持单精度浮点，还增加了硬件双精度浮点能力，进一步提升计算性能和DSP处理能力，主要面向高端嵌入式市场。

Cotex-M23，于2016年发布，流水线深度是2级，可以简单理解为在Cotex-M0+的基础上增加了硬件证书除法器与安全特性(Trust Zone Security)。

Cotex-M33，于2016年发布，流水线深度是3级，可以简单理解为在Cotex-M4的基础上增加了安全特性(Trust Zone Security)。

目前商用的超低功耗处理器内核以ARM架构的Coetex-M内核IP为主，流水线深度以2级或3级为主，仅具备紧耦合指令存储器(ITCM)和数据存储器(DTCM)，不具备指令缓存(I-Cache)和数据缓存(D-Cache)。同时，该系列处理器内核还具备以下缺点：