關(guān)于SPARC微處理器綜述

SPARC（Scalable Processor ARChitecture）可擴展處理器架構(gòu)是SUN公司在1985年提出的體系結(jié)構(gòu)標準，它基于1980年到1982年間加州大學伯克利分校關(guān)于Berkeley RISC的研究成果，并由一個獨立、非盈利組織SPARC International［1］負責SPARC架構(gòu)標準的管理和開發(fā)認證，是國際上流行的RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器體系架構(gòu)之一。
　　SPARC是開放的，任何機構(gòu)或個人均可研究或開發(fā)基于SPARC架構(gòu)的產(chǎn)品，如東芝、富士通、Aeroflex、ESA（Europen Space Agent）等都在此架構(gòu)上開發(fā)出了自己的SPARC微處理器。
　　SPARC微處理器（基于SPARC架構(gòu)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(gòu)。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?！癝parc”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(lǐng)先地位。在服務(wù)器領(lǐng)域，以性能卓越而聞名SUN服務(wù)器采用的就是SPARC架構(gòu)；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。
　　1 SPARC架構(gòu)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(gòu)SPARC 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SPARC V7是世界上第一個32位可擴展處理器架構(gòu)標準，它基于加州大學伯克利分校的關(guān)于RISC微處理器項目的研究成果，如寄存器窗口結(jié)構(gòu)。V7定義了SPARC體系結(jié)構(gòu)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(gòu)標準。它在SPARC V7的基礎(chǔ)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SPARC V9架構(gòu)標準。相對于SPARC 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：SPARC架構(gòu)及其微處理器發(fā)展歷史［2］
　　圖1 顯示了SPARC架構(gòu)及其微處理器發(fā)展歷史。1995年以前，基于SPARC V7或V8架構(gòu)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(gòu)的64位SPARC微處理器日漸豐富，其面向高性能計算和服務(wù)器的微處理器得到了市場廣泛的接受，如SUN的UltraSPARCT1/T2系列及富士通的SPARC64系列等。
　　隨著基于SPARC V8架構(gòu)的LEON2在2003年的發(fā)布，面向高可靠嵌入式領(lǐng)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SPARC V7架構(gòu)的ERC32微處理器，ATMEL制造了SPARC V8架構(gòu)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(gòu)的高性能、高可靠嵌入式微處理器MXT0105及其片上系統(tǒng)芯片（SoC）產(chǎn)品MXT0106，微處理器MXT0105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(guān)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(shè)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(guān)、1553B總線控制器、I2C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(lǐng)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(guān)、4路12位高速A/D轉(zhuǎn)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(qū)動程序、例程、BSP軟件包、SoC 開發(fā)板支持。
　　2 SPARC微處理器特點及其嵌入式應用
　　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(gòu)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(shù)既是SPARC微處理器的顯著特點，也是SPARC架構(gòu)不同于由斯坦福大學提出的MIPS微處理器架構(gòu)的主要不同點之一。采用這項技術(shù)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(jié)構(gòu)，利用重疊寄存器窗口技術(shù)來加快程序的運轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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。