芯经验—指令集、ARM、FPGA、DSP、RISC-V介绍

1.指令集

在半导体芯片领域，指令集是一切软硬件生态的起点。指令为引导硬件的工作方式，集为集合。常用的指令集主要分为两类，复杂指令集（CISC：Complex Instruction Set Computing）和精简指令集（RISC：Reduced Instruction Set Computer），CISC指令集丰富，对常用功能还是特殊功能都有特定的指令集，但是每个指令位数都较长。执行效率以及处理数据效率较低，但对特殊功能还是常用功能都较容易编写。RISC指令集中的指令相对较少，多数为常用的指令，他们具有简单高效的特点。对不常用的功能，常通过组合指令来完成，因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率可能较低，但可以用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。

2.ARM

ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，而是转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。ARM处理器的内核是统一的，由ARM公司提供，而片内部件则是多样的，由各大半导体公司设计，这使得ARM设计嵌入式系统的时候，可以基于同样的核心，使用不同的片内外设。ARM是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，其内部硬件资源的性能较高，可以加载操作系统成为其主要特点，有了操作系统，就可以像PC机那样多任务实时处理，就是同一时间内能完成多个任务，而且不会互相影响。ARM的芯片精髓在“R”，是RISC精简指令集的意思，和传统大型机以及PC微处理器采用的指令系统相比，RISC指令集根据80%的时候只用到了20%的处理器指令的状况，使用了经过精简设计的指令系统，使得整个处理器的设计可以更加简洁，功耗、体积大大缩小，所以ARM在目前的手机、平板等智能移动设备上得到了广泛应用。随着ARM处理能力的不断增强，加上其功耗小的特点，也不断在扩展其企业级服务器集群应用的可能性，为企业降低能耗成本。

3.FPGA

FPGA是(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无需专用的FPGA 编程器，只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

4.DSP

DSP（Digital Signal Processor）即数字信号处理器，其最大的特点是拥有强大数据处理能力、数字信号处理的实时性和高运行速度。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。DSP芯片强调数字信号处理的实时性，DSP实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。

中科昊芯HX2000系列产品——2802X

5.区别

ARM：具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；ARM是32位的单片机，其内部硬件资源的性能较高，可以加载操作系统成为其主要特点，有了操作系统，就可以像pc机那样多任务实时处理，就是同一时间内能完成多个任务，而且不会互相影响。

DSP：DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度；

FPGA：可以用VHDL或Verilog HDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。

6.RISC-V

RISC-V是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），V表示为第五代RISC，可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。RISC-V的不同寻常之处，除了在于它是最近诞生的和开源的以外，还在于：和几乎所有以往的ISA不同，它是模块化的。它的核心是一个名为RV32I的基础ISA，运行一个完整的软件栈。RV32I是固定的，永远不会改变。这为编译器编写者，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。模块化来源于可选的标准扩展，根据应用程序的需要，硬件可以包含或不包含这些扩展。这种模块化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特点，而这对于嵌入式应用可能至关重要。RISC-V编译器得知当前硬件包含哪些扩展后，便可以生成当前硬件条件下的最佳代码。

RISC-V特点:

①指令只有六种格式，并且所有的指令都是32 位长，这简化了指令解码。ARM-32， 还有更典型的 x86-32 都有许多不同的指令格式，使得解码部件在低端实现中偏昂贵，在中高端处理器设计中容易带来性能挑战。

②RISC-V 指令提供三个寄存器操作数，而不是像 x86-32 一样，让源操作数和目的操作数共享一个字段。当一个操作天然就需要有三个不同的操作数，但是 ISA 只提供了两个操作数时，编译器或者汇编程序程序员就需要多使用 一条 move（搬运）指令，来保存目的寄存器的值。

③在 RISC-V 中对于所有指令，要读写的寄存器的标识符总是在同一位置，意味着在解码指令之前，就可以先开始访问寄存器。

④这些格式的立即数字段总是符号扩展，符号位总是在指令中最高位。这意味着可能成为关键路径的立即数符号扩展，可以在指令解码之前进行。

7. 中科昊芯HX2000系列产品

HX2000系列是基于RISC-V的数字信号处理器（DSP），该芯片集成了中科昊芯自主研发的H28x内核同时具备基础指令以及自研专用DSP指令，具有完全自主知识产权。增大数据总线带宽，有效提升数据吞吐量。具有独特指令集的FIR 滤波器进一步提高数据处理速度。同时，拥有一套自己的工具，Haawking IDE、HX-LINK Downloader(JTAG下载器)、Haawking Flasher(串口下载器)，同时也支持第三方的离线烧录工具，完整保持与国际主流产品在软件开发和引脚封装方面的兼容性，实现代码移植的简便，有效缩短开发周期，横向对标ARM M4成本及功能，具有优势，包括2802X、2803X、2833X、28002X、2837X等主流产品，涵盖DSP 90%以上的应用场景。

中科昊芯HX2000系列产品——2803X、2833X

关于中科昊芯

“智由芯生 创享未来”，中科昊芯是数字信号处理器专业供应商。作为中国科学院科技成果转化企业，瞄准国际前沿芯片设计技术，依托多年积累的雄厚技术实力及对产业链的理解，以开放积极的心态，基于开源指令集架构RISC-V，打造多个系列数字信号处理器产品，并构建完善的处理器产品生态系统。产品具有广阔的市场前景，可广泛应用于工业控制及电机驱动、数字电源、光伏、储能、新能源汽车、消费电子、白色家电等领域。