浅谈龙芯1号处理器结构设计

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1、第26卷第4期计算机学报Vol.26No.42003年4月CHINESEJOURNALOFCOMPUTERSApr.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态流水线

2、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；性能分析中图法分类号TP302ArchitectureoftheGodson-1ProcessorHUWei-WuTANGZhi-Min（InstituteofComputingTechnology，Ch

3、ineseAcademyofSciences，Beijing100080）AbstractTheGodson-1processorisageneralpurposehighperformanceprocessordevelopedinInstituteofComputingTechnology，ChineseAcademyofSciences.Thispaperfirstgivesthebackgroundandconsidera-tionsofdesigningtheGodsonseriesofmicroprocess

4、ors.ItthenintroducesthearchitectureoftheGodson-1pro-cessor，includingitsout-of-orderinstructionpipeline，preciseexceptionstrategy，branchprediction，memorymanagement，andsecuritydesigntoavoidbuffer-overflowattack.Testandperformanceanalysisshowthatthedynamicinstruction

5、pipelineoftheGodson-1processorisefficientanditssecuritydesigncaneffectivelyde-fensenetworkattackbasedonbuffer-overflowtechnique.However，thecacheofGodson-1processorisnotlargeenoughanditsorganizationcouldbeimproved.KeywordsGodson-1；processor；architecture；instructio

6、npipeline；out-of-orderexecution；performanceanalysis到保证，必须发展具有自主版权的CPU技术，并以1引言此带动存储器、ASIC以及其它集成电路技术的发展.CPU（CentralProcessingUnit）是现代计算机的核龙芯1号处理器是中国科学院知识创新工程方心，是信息产业的基本部件.在通信、计算机、自动向性项目与国家“八六三”高技术研究发展计划项目化、家电等领域起着重要作用.然而，由于各种原因，计算机软硬件主题重点项目的研究成果.该项目主我国信息产业中涉及CPU的许多

7、核心技术与产品要研究高性能通用微处理器的设计技术.项目的主仍然全部依赖外国，不仅经济上受制于人，而且国家要目标是完成一个与主流微处理器兼容的高性能通安全也面临威胁.因此，为使国家经济、国防安全得用CPU芯片的设计及相关的系统开发，并掌握高性收稿日期：2002-12-12；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“高性能通用CPU设计”（2001AA111100）及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

8、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.386能通用CPU芯片的基本体系结构、逻辑和物理设计器的设计并把C模拟器作为结构设计的最终结果技术，为下一阶段研制更高性能的通用CPU芯片打和文档；在逻辑设计