1.2 ARC處理器簡介

ARC處理器是Synopsys公司推出的系列32位RISC結(jié)構(gòu)微處理器產(chǎn)品，致力于在滿足應(yīng)用所需的處理性能前提下，以盡可能低的處理器功耗和盡可能小的芯片面積實現(xiàn)高效能、低成本。

ARC處理器具有獨特的可配置和可擴(kuò)展特性，給工程設(shè)計人員提供了極大的設(shè)計彈性。設(shè)計人員可以根據(jù)應(yīng)用需求，選擇相應(yīng)的ARC處理器產(chǎn)品系列，配置處理器總線接口類型、數(shù)據(jù)位寬、尋址位寬、指令類型等屬性。處理器內(nèi)部的各功能模塊也支持可配置，例如配置乘法器采用不同算法實現(xiàn)，配置高速緩存Cache的容量和結(jié)構(gòu)，配置中斷處理單元所支持的中斷數(shù)目和中斷級數(shù)等。此外，ARC處理器支持嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師通過處理器的APEX擴(kuò)展接口添加自己的定制指令、寄存器、硬件模塊甚至是協(xié)處理器，為特定應(yīng)用提供硬件加速。這種根據(jù)應(yīng)用“量身裁剪”的設(shè)計方式使得工程師可以在性能、面積、功耗之間進(jìn)行權(quán)衡，以實現(xiàn)最佳的內(nèi)核PPA（Performance/Power/Area，性能/功耗/效率）。

ARC處理器采用了高效的16/32位混合指令集體系結(jié)構(gòu)。其中，16位指令包含最常用的指令操作類型，有助于提高代碼密度。ARC處理器的存儲系統(tǒng)支持配置片上存儲器CCM（Closely Coupled Memory，緊耦合存儲器），便于以固定延遲（1～2個時鐘周期）訪問應(yīng)用中性能關(guān)鍵的代碼和數(shù)據(jù)，不僅有利于緩解片外總線訪存壓力，降低系統(tǒng)訪存延遲，提高處理性能，還有助于提高系統(tǒng)集成度，降低系統(tǒng)成本。

ARC處理器具有強大的中斷/異常處理能力，支持快速中斷響應(yīng)和中斷處理優(yōu)先級動態(tài)編程，可以精確定位異常原因和類型。同時，ARC處理器提供了豐富的調(diào)試接口和調(diào)試指令，便于程序員實時監(jiān)測處理器內(nèi)部的運行狀態(tài)和調(diào)試應(yīng)用程序，使得ARC處理器可以很好地適用于可靠性要求較高的應(yīng)用場合。

ARC處理器的研發(fā)經(jīng)歷了ARCv1和ARCv2兩種指令集體系結(jié)構(gòu)，得到了充分的市場驗證及系統(tǒng)應(yīng)用。目前，全球已有超過200家廠商獲得了ARC處理器的生產(chǎn)授權(quán)，基于ARC處理器的芯片年出貨量超過17億片。

相比ARCv1，ARCv2體系結(jié)構(gòu)在以下方面進(jìn)一步提高了處理器的性能和實時處理能力：

1）支持64位訪存指令。

2）支持非對齊的存儲器訪存操作。

3）支持硬件整數(shù)除法。

4）增加了64位乘法、乘累加、向量加法和減法等指令操作。

5）支持影子寄存器以進(jìn)行異常處理中的現(xiàn)場保護(hù)，減少異常上下文的切換時間。

6）擴(kuò)展了中斷處理功能，支持多達(dá)240個外部中斷和16個可編程中斷優(yōu)先級，可自動保存上下文和返回現(xiàn)場。

7）優(yōu)化的指令集結(jié)構(gòu)使得代碼密度可以獲得18%的提升。

為了滿足嵌入式領(lǐng)域不同應(yīng)用的需求，ARC處理器已經(jīng)開發(fā)了豐富的產(chǎn)品系列，如圖1-1所示。

1）HS產(chǎn)品系列（HS34、HS36、HS38）是目前性能最高的ARC處理器內(nèi)核，采用了十級流水線技術(shù)，支持指令亂序執(zhí)行和L2 Cache，可配置成雙核或四核SMP（Symmetric Multi-Processor，對稱多處理器）系統(tǒng)，并支持運行Linux操作系統(tǒng)。可提供高達(dá)1.6GHz的主頻和1.9DMIPS/MHz的性能，內(nèi)核功耗為60mW，面積約0.15mm2。HS產(chǎn)品系列主要面向高端的嵌入式應(yīng)用，如固態(tài)硬盤、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車控制器、媒體播放器、數(shù)字電視、機(jī)頂盒和家庭聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品等。

2）EM系列產(chǎn)品（EM4、EM6、EM SEP、EM5D、EM7D）是功耗最低、面積最精簡的ARC處理器內(nèi)核，采用三級流水線技術(shù)。可提供約900MHz的主頻和1.77DMIPS/MHz的性能，能耗效率可達(dá)3μW/MHz，內(nèi)核面積僅為0.01mm2。主要面向深嵌入式超低功耗應(yīng)用領(lǐng)域以及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，如IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）、工業(yè)微控制器、機(jī)頂盒、汽車電子等。

3）700系列產(chǎn)品（710D、725D、770D）采用了七級流水線技術(shù)，支持動態(tài)分支預(yù)測，可提供高達(dá)1.1GHz的主頻。主要面向中、高端的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，如固態(tài)硬盤、圖像處理、信號處理、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。

4）600系列產(chǎn)品（601、605、610D、625D）采用了五級流水線技術(shù)，可提供約900MHz的主頻。主要面向通用嵌入式領(lǐng)域，如工業(yè)控制、帶寬調(diào)制解調(diào)、VoIP、音頻處理等。此外， 600系列處理器具備特有的XY存儲器結(jié)構(gòu)，特別針對數(shù)字信號處理進(jìn)行優(yōu)化，可以很好地應(yīng)用于嵌入式DSP（Digital Signal Processing）領(lǐng)域。

5）AS200系列產(chǎn)品（AS211SFX、AS221BD）是專門用于數(shù)字電視、數(shù)碼相機(jī)、音頻播放和視頻播放等音頻處理應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，為了能更有效地針對特定應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)，降低設(shè)計風(fēng)險，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，基于ARC處理器的軟件開發(fā)工具、中間軟件以及操作系統(tǒng)部署等也都趨于完善和成熟，建立了完整的生態(tài)系統(tǒng)，能夠給工程技術(shù)人員提供一套完整的解決方案。

ARC處理器的主要特點可歸納如下：

1）以功耗效率（DMIPS/mW）和面積效率（DMIPS/mm2）最優(yōu)化為目標(biāo)，滿足嵌入式市場對微處理器產(chǎn)品日益提高的效能要求。

2）成熟、統(tǒng)一的ISA指令集體系結(jié)構(gòu)不僅便于開發(fā)不同產(chǎn)品系列，也便于開發(fā)同一系列下的不同產(chǎn)品，具有非常好的延展性和兼容性。

3）高度可配置性，以便“量體裁衣”，可通過增加或刪除功能模塊，滿足不同應(yīng)用需求，通過配置不同屬性實現(xiàn)快速系統(tǒng)集成。

4）靈活的可擴(kuò)展性，支持用戶自定義指令、外圍接口和硬件邏輯，進(jìn)一步優(yōu)化處理器性能和功耗。

5）強大的實時處理能力，中斷響應(yīng)快速且動態(tài)可編程。

6）優(yōu)異的節(jié)能特性，支持從體系結(jié)構(gòu)（SLEEP指令）、硬件設(shè)計（門控時鐘）到設(shè)計實現(xiàn)（門級功耗優(yōu)化）等不同粒度的低功耗控制。

7）豐富的調(diào)試功能，協(xié)助編程人員快速查詢處理器狀態(tài)。

8）成熟的開發(fā)套件和完整的生態(tài)系統(tǒng)，幫助工程設(shè)計人員快速完成從產(chǎn)品設(shè)計、實現(xiàn)到驗證等嵌入式開發(fā)過程。