SPARC:微處理器綜述

覃 輝 于立新 劉 鵬

引言

SPARC(Scalable Proces so r ARChitecture)可擴展處理器架構是SUN公司在1985年提出的體系結構標準，它基于1980年到1982年間加州大學伯克利分校關于Berkeley RISC的研究成果，并由一個獨立、非盈利組織SPARC International負責SPARC架構標準的管理和開發(fā)認證，是國際上流行的KISC(Reduced Instruction SetComputer)微處理器體系架構之一。

SPARC是開放的，任何機構或個人均可研究或開發(fā)基于SPAKC架構的產(chǎn)品，如東芝、富士通、Aeroflex、ESA(Europen SpaceAgent)等都在此架構上開發(fā)出了自己的SPAKC微處理器。

SPARC微處理器(基于SPARC架構的微處理器)的顯著特點就是它的可擴展性。從筆記本到超級計算機上的微處理器均可采用SPARC架構。1987年由SUN和TI公司合作開發(fā)的微處理器，稱為“Sparc”，是業(yè)界出現(xiàn)的第一款有可擴展性功能的微處理器。“Sparc”用于Sun-4計算機中，它的推出為SUN奠定了其在高端微處理器發(fā)展中的領先地位。在服務器領域，以性能卓越而聞名SUN服務器采用的就是SPARC架構，在高可靠嵌入式應用方面，國際空間站上的控制計算機DMS-R和太空觀測臺JEM-EUSO上均使用SPARC微處理器。

SPARC架構及其微處理器的發(fā)展歷史

1987年，SUN發(fā)布了業(yè)界第一款有可擴展性功能的32位微處理器“sparc”。因為它采用了SPARC的首款架構SPAKC V7，所以獲得了更高的流水線硬件執(zhí)行效率和更為優(yōu)化的編譯器，并縮短了其開發(fā)周期，滿足了Sun-4計算機迅速投放市場的要求。

由SUN在1985年發(fā)布的SPAKC V7是世界上第一個32位可擴展處理器架構標準，它基于加州大學伯克利分校的關于RISC微處理器項目的研究成果，如寄存器窗口結構。V7定義了SPARC體系結構的數(shù)據(jù)類型、寄存器、指令、存儲器模型和異常處理。處理器指令字長是32位。它采用獨立的指令(SAVE，RESTORE)來進行寄存器管理。用LOAD和STORE指令訪問內(nèi)存。

1990年，SPARC International發(fā)布了32位SPARC V8架構標準。它在SPAKC V7的基礎上增加了乘法和除法指令，加速乘除法的處理，使得用戶不必使用子程序完成相同操作。

為了在本世紀微處理器發(fā)展上仍具有競爭性。SPARC International在1994年發(fā)布了64位SPAKC V9架構標準。相對于SPAKC v8，這一版本的顯著變化在于：數(shù)據(jù)和地址的位寬由32位變到64位，支持超標量微處理器的實現(xiàn)，支持容錯及多層嵌套陷阱。具有超快速陷阱處理及上下文切換能力。

圖1顯示了SPARC架構及其微處理器發(fā)展歷史。1995年以前，基于SPARC V7或V8架構的微處理器種類不多，而且基本上只有SUN一家公司在研制開發(fā)。從1995年以后，基于SPARC V9架構的64位SPARC微處理器日漸豐富，其面向高性能計算和服務器的微處理器得到了市場廣泛的接受，如SUN的UItraSPARCTl／T2系列及富士通的SPARC64系列等。

隨著基于sPARc v8架構的LEON2在2003年的發(fā)布，面向高可靠嵌入式領域(如工業(yè)控制、軍工電子、空間應用等)的SPARC微處理器的研制得到了眾多公司的青睞。ESA研制了基于SPAKC v7架構的ERC32微處理器，ATMEL制造了SPARC v8架構的AT697微處理器。

國內(nèi)也有多家公司和大學從事SPARC微處理器的研發(fā)。值得說明的是，北京時代民芯科技有限公司已成功研制出基于sPARC V8架構的高性能、高可靠嵌入式微處理器MXT010s及其片上系統(tǒng)芯片(soc)產(chǎn)品MXT0106，微處理器MXT010s性能已達到且部分指標超過ATMEL公司的AT697。MXT0106是集成多路模擬量與開關量數(shù)據(jù)采集、多路模擬與數(shù)字信號輸出、1553B通訊、多種外設接口的高性能、高可靠片上系統(tǒng)，內(nèi)部通過AMBA總線將高性能CPU、浮點處理器、A／D、模擬開關、1553B總線控制器、12C總線控制器、計數(shù)器、定時器、通用I／o、PWM輸出等功能模塊集成在單一芯片上。適合測試、實時計算以及控制領域應用，有效實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的集成化、小型化、輕量化、智能化以及低功耗。MXT0106的主頻可達到150MHz，支持8／16／32位外部存儲器數(shù)據(jù)訪問，帶有64路模擬開關、4路12位高速A／D轉換器和1553B總線控制器，具備成熟的編譯器、可視化集成開發(fā)環(huán)境、驅動程序、例程、BSP軟件包、SoC開發(fā)板支持。

SPARC微處理器具備精簡指令集、支持32位／64位數(shù)據(jù)精度，架構運行穩(wěn)定、可擴展性優(yōu)良、體系標準開放等特點。此外，寄存器窗口技術既是SPAKC微處理器的顯著特點，也是SPARC架構不同于由斯坦福大學提出的MIPS微處理器架構的主要不同點之一。采用這項技術可以顯著減少過程調(diào)用和返回執(zhí)行時間、執(zhí)行的指令條數(shù)和訪問存儲器的次數(shù)，從而易于實現(xiàn)直接高效的編譯。如圖2所示，它將工作寄存器組成若干個窗口，建立起環(huán)形結構，利用重疊寄存器窗口技術來加快程序的運轉。每個過程分配一個寄存器窗口(含有一組寄存器)，當發(fā)生過程調(diào)用時，可以把處理器轉換到不同寄存器窗口使用，無需保存和恢復操作。相鄰寄存器窗口部分重疊，便于調(diào)用參數(shù)傳送。為每個過程提供有限數(shù)量的寄存器窗口，各個過程的部分寄存器窗口重疊。

伴隨LEON2的發(fā)布，SPARC微處理器在嵌入式應用領域獲得了巨大的發(fā)展空間，全球大約已有3萬多個成功的應用案例。比較著名的是國際空間站上的控制計算機DMS，吸空間自動轉移器ATv中均使用了SPARC微處理器ERC32，而在太空觀測臺JEM-EUSO上則使用了SPAKC v8架構的微處理器。國內(nèi)研制的SPARC微處理器在軍工電子領域已得到應用，在民用領域正處于普及推廣應用過程中。

SPARC微處理器未來發(fā)展趨勢和展望

經(jīng)過20多年的發(fā)展，SPAKC微處理器憑借其持續(xù)的創(chuàng)新研發(fā)能力，不斷取得驕人成績。在服務器等高端處理器領域，SPARC Enterprise服務器系列的MS000機型就是一個典型的例子，2007年，它在SAPERP2005、Oracle Database 10g和Solaris10運行環(huán)境下，刷新了16路處理器級別系統(tǒng)中SAP sD 2-tier標準應用基準測試的世界記錄。在空間應用等高可靠嵌入式應用領域，SPAKC微處理器也發(fā)揮著越來越重要的作用。ESA決定在2013年發(fā)射的水星探測任務中采用SPAKC微處理器。

SPAKC架構標準的開放和最先進的多核心、多線程SPARC微處理器的設計代碼開放，促使世界上越來越多的公司、機構和大學加入到SPAKC微處理器的研發(fā)中。到目前為止，對于開源的SPAKC微處理器設計代碼，已經(jīng)有超過10,000個下載。而業(yè)界對研究SPARC微處理器的積極響應。必將推動SPARC微處理器持續(xù)進步，讓它始終具有超強的競爭性。