龙芯1号处理器结构设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第26卷第4期计算机学报V01．26NO．42003年4月CHINESEJ0URNALoFCOMPUTERSApr．2003龙芯1号处理器结构设计胡伟武唐志敏(中国科学院计算技术研究所北京100080)摘要首先介绍了龙芯处理器的研制背景及其技术路线．分析了龙芯处理器坚持高性能定位、稳扎稳打的设计策略以及兼容主流处理器的原因，并指出在目前达到与国外相同主频的客观条件不具备的情况下，应走通过优化处理器结构来提高性能的道路，并以处理器结构技术的突破为根本．然后介绍了龙芯1号处理器的体系结构设计，包括基于操作队列复用的动

2、态流水线设计、在乱序执行的情况下实现精确例外处理、取指与转移控制结构、存储管理以及针对缓冲区溢出攻击的系统安全设计等等．测试表明龙芯1号处理器的指令流水线效率高，其安全设计能有效防范使用缓冲区溢出技术进行的网络攻击．但龙芯1号处理器的Cache过小，在组织方式上也有待改进．关键词龙芯1号；处理器；系统结构；指令流水线；乱序执行；性能分析中圈法分类号TP302ArchitectureoftheGodson-1ProcessorHUWei—WuTANGZhi—Min(InstituteofComputingTechnology，ChineseAcademyofSc

3、iences，BeOing100080)AbstractTheGodson-1processorisageneralpurposehighperformanceprocessordevelopedinInstituteofComputingTechnology，ChineseAcademyofSciences．ThispaperfirstgivesthebackgroundandconsiderationsofdesigningtheGodsonseriesofmicroprocessors．Itthenintro—ducesthearchitectureof

4、theGodson-1processor，includingitsout—of-orderinstructionpipeline，preciseexceptionstrategy，branchprediction，memorymanagement，andsecuritydesigntoavoidbuffer-overflowattack．TestandperformanceanalysisshowthatthedynamicinstructionpipelineoftheGodson-1processorisefficientanditssecuritydes

5、igncaneffectivelydefensenetworkat—tackbasedonbuffer—overflowtechnique．However，thecacheofGodson-1processoriSnotlargeenoughanditsorganizationcouldbeimproved．KeywordsGodson-1；processor；architecture；instructionpipeline；out—oborderexecution；per—formanceanalysis产品仍然全部依赖外国，不仅经济上受制于人，而且1引言国

6、家安全也面临威胁．因此，为使国家经济、国防安全得到保证，必须发展具有自主版权的CPU技术，CPU(CentralProcessingUnit)是现代计算机并以此带动存储器、ASIC以及其它集成电路技术的核心，是信息产业的基本部件．在通信、计算机、自的发展．动化、家电等领域起着重要作用．然而，由于各种原龙芯1号处理器是中国科学院知识创新工程方因，我国信息产业中涉及CPU的许多核心技术与向性项目与国家“八六三”高技术研究发展计划项目收稿日期t2002—12—12；修改稿收到日期：2003—02—20．本课题得到国家“八六三”高技术研究发展计划软硬件主题重点项目“高

7、性能通用CPU设计”(2001AAll1lOO)2~中国科学院知识创新工程方向性项目(KGCX2—109)资助．胡伟武，男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为高性能计算机系统结构、并行处理、VLSI设计等．唐志敏，男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为高性能计算机系统结构、MPP系统、数字信号处理等．．维普资讯http://www.cqvip.com386计算机学报计算机软硬件主题重点项目的研究成果．该项目主三个阶段．考虑到在处理器设计中，越上层的设计，要研究高性能通用微处理器的设计技术．项目的主调试越容易；而越底层的设计，调试越困难，因此在要目标

8、是完成一个与主流微处理器兼容的高性能通