国产龙芯cpu简介

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2024年1月19日发(作者：)

国产CPU的昨天，今天和明天

——关于龙芯CPU发展的简要研究

背景：

在最近两年多的时间里，国产CPU如雨后春笋，频频展露出喜人的"尖尖角". 2001年3月，中星微系统公司开发出数码影像处理芯片"星光1号"；2001年7月，方舟公司的"方舟1号"嵌入式CPU问世；2002年9月，中科院计算所研制成功我国首款通用高性能CPU"龙芯1号"；2002年11月，上海复旦微电子公司推出高性能嵌入式32位微处理"神威1号"；2002年12月，北京大学"众志1号"面世；2003年2月，上海交通大学的"汉芯1号"面世……

国产CPU的发展源于何时？现状怎样？未来目标如何？我们就这些问题，以国产CPU的典型代表“龙芯”系列为线索，循着其发展历程，共同探索国产CPU的昨天、今天和明天。

（一）龙芯 昨天

龙芯（英语：GODSON）是中国中国科学院自主开发的通用CPU，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。第一型的速度是266MHz，最早在2002年开始使用，龙芯2号第二型为500MHz，第三型的目标在1GHz。

“十五”期间，国家863计划提出了自主研发CPU的战略思路。

·2001年3月起，中国科学院计算技术研究所正式启动处理器设计项目。

·2001年3月，中科院计算技术研究所开始研制具有中国自主知识产权的高性能通用CPU芯片，被命名为“龙芯”。项目领导是中科院计算所所长李国杰，具体技术主管是研究院胡伟武。

·2001年10月 龙芯的FPGA验证成功，通过中国科学院主持的“龙芯(Godson)CPU设计与验证系统”项目评审。

·2002年6月 “龙芯1号”CPU研制成功。

·2002年7月 “龙芯1号”CPU小批量投片成功。

·2002年8月6日 由中国科学院计算技术研究所和江苏综艺集团等合资组建的“北京神州龙芯集成电路设计有限公司”正式成立。

·2002年9月28日中科院计算技术研究所和北京神州龙芯集成电路设计有限公司联合发布新闻，宣布“具有自主知识产权的我国第一款高性能通用CPU—“龙芯1号”研制成功。从此，中国信息产业“无芯”时代宣告结束。

·2005年2月18日，龙芯2号处理器正式面世，鉴定委员会认为，这款芯片的总体性能已经达到2000年左右的国际先进水平，相当于中档的“奔腾三”处理器。

·2006年9月13日，“64位龙芯2号增强型处理器芯片设计”(简称龙芯2E)通过科技部验收，该处理器最高主频达到1.0GHz，实测性能超过1.5GHz奔腾IV处理器的水平。同日，其成果“龙芯2号增强型处理器”通过了科技成果鉴定。

（二）龙芯 今天

接下来介绍一下我们国产的CPU——龙芯

龙芯”三代简介

龙芯一号（英文名称Godson-1）

龙芯一号CPU IP核是兼顾通用及嵌入式CPU特点的32位处理器内核，采用类MIPS III指令集，具有七级流水线、32位整数单元和64位浮点单元。龙芯一号CPU IP核具有高度灵活的可配置性，方便集成的各种标准接口。图1显示了龙芯一号CPU IP核可配置结构，其中虚线部分表示用户可根据自己的需求进行选择配置，从而定制出最适合用户应用的处理器结构。主要的可配置模块包括：浮点部件、多媒体部件、内存管理、Cache、协处理器接口。浮点部件完全兼容MIPS的浮点指令集合，浮点部件及其相关的系统软件完全符合ANSI/IEEE

754-1985二进制浮点运算标准。浮点部件主要包括浮点ALU部件和浮点乘法/除法部件，用户可根据自己的实际应用选择是否添加。媒体部件复用了MIPS浮点指令的Format域，并复用了浮点寄存器堆，媒体指令集基本对应了Intel SSE媒体指令集合的各种操作。

内存管理部件有三种工作模式，即标准模式、直接映射模式和无映射模式。在标准模式下，TLB分为ITLB和DTLB两部分，每部分均由48项页表项组成，同时支持mapped和unmapped的从虚拟地址到物理地址的变换方式；TLB也可只进行直接映射，不使用CAM和RAM，以减小面积；而无映射模式下甚至可以去掉TLB，采用直连SRAM的形式实现访存。龙芯一号CPU IP核的Cache分为指令Cache和数据Cache，两部分独立配置，以4K为一路，可配置为4路、2路和0路。用户可根据应用需要，确定所需Cache的大小，甚至不使用Cache。协处理器接口为外部协处理器提供了一个高效率的接口。龙芯一号CPU IP核提供了两套可配置的处理器总线接口：AMBA接口和哈佛结构SRAM接口。

[龙心一号]

[龙芯一号的开发主板]

[比较清楚的一张“龙心”]

技术及应用特点：

龙芯1号处理器模块

一般根据应用模式的不同，将处理器分为通用CPU和嵌入式CPU，其实从结构上看这两者并无差异。通用CPU芯片的功能一般比较强，能运行复杂的操作系统和大型应用软件，嵌入式CPU芯片在功能和性能上有很大的变化范围，相对来说比通用CPU更为复杂和强大。

龙芯一号处理器是一款既兼顾通用又有嵌入式CPU特点的新一代32位处理器，拥有32位MIPS指令系统，并采用一套简单高效的动态流水线，支持乱序执行和精确中断处理，采用0.18微米 CMOS工艺制造，具有良好的低功耗特性，平均功耗0.4瓦特，最大功耗不超过1瓦特。因此，龙芯一号CPU可以在大量的嵌入式应用领域中使用。不过在缓存设计上，龙芯一号有着明显的缺陷，芯片内只集成16KB容量的一级缓存（8KB指令+8KB数据），对于处理器当中起到决定作用的二级缓存却没有设计在内，而它的晶体管规模也仅有400多万，这也是他处理器性能较弱的一个重要原因。

嵌有龙芯1号的开发板布局图：

龙芯嵌入式网络音视频服务器

龙芯一号在通用CPU体系结构设计方面采用了许多先进的微处理器的设计与实现技术，在动态流水线的具体实现和硬件对系统安全性的支持方面，有独特创新，并申请了专利。 目前“龙芯”1号具有特殊的硬件设计，可以抗御缓冲区溢出攻击。在硬件上根本抵制了缓冲区溢出类攻击的危险，从而大大的增加的服务器的安全性。因此，使用龙芯一号CPU可以构成更为安全的网络安全服务器、网络安全网关、网际防火墙、服务器网卡等对网络安全有特殊需求的产品及应用。基于龙芯CPU的网络安全设备可以满足国家政府部门、广大企业机关等对于网络与信息系统安全的需求。同时，“龙芯”还会利用小于0.5瓦的低运行功耗特点，进入Intel势弱的嵌入式芯片应用市场，以及广泛应用到手机芯片等通讯产品市场中。

此外，它还能可以运行大量的现有应用软件与开发工具。支持Linux、VxWork，Windows CE等操作系统。基于龙芯一号CPU的服务器，可以运行Apache Web、FTP、Email、NFS、X-Window等服务器软件，虽然不能说是全方位的兼容，至少包括和兼容种类也有相当一部分。作为第一款通用型CPU产品，龙芯1号虽然有这样或那样的一些问题和缺陷，但整体来看无论是在技术和应用性上来说该处理器还是具有了相当的水平，已经为中国自主研发的处理器产品添上浓墨重彩的一笔。

龙芯二号CPU 采用先进的四发射超标量超流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64KB，片外二级高速缓存最多可达8MB.最高频率为500MHz，功耗为3-5瓦，远远低于国外同类芯片，其SPEC CPU2000测试程序的实测性能是1.3GHz的威盛处理器的2-3倍，已达到中等Pentium4水平。目前最高频率为300MHz，功耗1W-2W，成品率约为80%左右。通过使用相关测试对龙芯2号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII，达到PIII的水平,设计人员称龙芯2号的设计SPEC CPU2000分值可达到300分以上，设计频率在

500MHz以上时性能可与1GHz以上的PIII或PIV的性能相当。目前龙芯2E经过量产改造后已完成量产并向部分用户供货。龙芯2E的改进型产品龙芯2F，也已经完成设计，预计2007年下半年可以批量上市。与龙芯2E相比，龙芯2F集成了更多的功能，进一步降低了功耗，提高了性能。**计算技术研究所胡伟武研究员透露，龙芯2E处理器的改进版本龙芯2F处理器即将流片，并将于2007年下半年批量上市。

龙芯2号：2004年6月，中科院计算所将研发出实际性能与奔腾四1G水平相当的“龙芯2号”通用CPU，比“龙芯1号”性能提高10至15倍。龙芯样机上能运行完整的64位中文Linux操作系统，全功能的Mozilla浏览器、多媒体播放器和Open Office办公套件，具备了桌面PC的基本功能。目前的龙芯2号最高频率为300MHz，功耗1W-2W，成品率约为80%左右。通过使用相关测试对龙芯2号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII，达到PIII的水平，设计人员称龙芯2号的设计SPEC CPU2000分值可达到300分以上，设计频率在500MHz以上.性能可与1GHz以上的PIII或PIV的性能相当。（奔四的功耗＞80W，而龙芯＜2W）。龙芯2L样片是龙芯2 CPU研制过程的一个阶段成果，其目的主要是对芯片的总体功能进行充分的功能验证，同时为基于龙芯2号的系统软件、应用软件和应用样机的开发提供足够多数量、足够高性能的基础平台。

9月13日，中科院计算技术研究所承担的国家“863”项目“龙芯2号增强型处理器芯片设计”(即龙芯2E)正式通过 了“863”专家组的验收。该通用CPU已经达到了奔腾4的水平，这标志着我国在通用CPU设计和生产方面，取得了巨大的进展。经专家鉴定，龙芯2号居国内通用CPU研制领先水平。

龙芯2号的照片

性能大幅提升——龙芯2号 64位处理器

龙芯2号处理器

有了龙芯1号的研发实践经验，中科院计算技术研究所的相关科技人员继续努力，再次经过了两年多的艰苦奋战，在2005年4月26日，龙芯2号处理器正式面世。“龙芯2号”的再次登场亮相，同样给了世人一个惊喜，无疑使得中国龙芯处理器又迈上了一个新的台阶。不过龙芯似乎为了体现出完全本土话的感觉，都在其将其处理器都被赋予了体现一些有中国特色的名字作为昵称或者说小名。龙芯1号被命名为了“狗剩”，而这块龙芯2号，为了纪念毛主席诞辰，特意将其命名为“毛泽东110”，意欲纪念这位中国的伟人！

相关技术及应用特点：

龙芯2号处理器是国内首款64位高性能通用CPU芯片，它不再沿用龙芯1号的32位MIPS指令架构，而是升级到64位MIPS指令架构，这一技术环节的提升不疑增强了龙芯二号的性能潜力。它采用先进的四发射超标量超流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64KB，龙芯2号暂时还未直接集成二级缓存，看来在处理器的二级缓存上，龙芯发展还是有一些不畅，不过还好，他支持片外二级高速缓存最多可达8MB，比龙芯1号有了明显的进步，这或许更多出于成本考虑。为了充分发挥流水线的效率，龙芯2号实现了先进的转移猜测、寄存器重命名、动态调度等乱序执行技术，以及非阻塞的高速缓存和取数操作猜测执行等动态存储访问机制。

它仍采用0.18微米 CMOS标准单元工艺制造，与龙芯1号相比没有差异，不过龙芯2号最高频率可达到500MHz，功耗3W--5W，远远低于国外同类芯片。设计人员称龙芯2号是一款在设计SPEC CPU2000分值可达到300分以上的64位通用处理器芯片。据了解，是2002年9月28日发布的“龙芯一号”实测性能的10到15倍，完全可以媲美Intel Pentium 3，甚至超过1.3GHz的威盛处理器的2倍至3倍，这样的技术性能对于龙芯来说已经相当的不错。

龙芯2号处理器它支持64位Linux操作系统和X-window视窗系统，运行全功能的Mozilla浏览器、多媒体播放器和一些办公套件，比32位的“龙芯”1号更流畅地支持视窗系统、桌面办公、网络浏览、DVD播放等应用，并具备桌面PC的基本功能，尤其在低成本信息产品方面具有很强的优势。在应用前景上，也有大幅度的提升，据了解龙芯2号的主要应用目标是Linux桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器交换机、多媒体网络终端机、无盘工作站等。

龙芯三号——（英文名称Godson-3）

“龙芯3号”也正在预研。据悉“龙芯3号”将是一款多核处理器，至少也是一款四核的产品，并增加专门服务于Java程序的协处理器，以提高Linux环境下Java程序的执行效率，指令缓存追踪技术等。“龙芯3号”最终将实现对内峰

值每秒500-1000亿次的计算速度。

**计算所研究员、龙芯项目组负责人胡伟武则进一步指出，龙芯三号将采用65纳米工艺，具有16个核心。2年开始规划，2007年至2009年进入实施阶段，计

划在2010年验收，“争取成为业内第一个16核处理器”。主频600-800MHZ 内存为512MB 667 硬盘 80-160G 。显卡为ATI 的7000-M 声卡为AC97 8139的网卡 。显卡为32M 显存。适合于办公以及小学等初级电脑学习。

系统为Linux 或者定制的WINCE等系统。

（三）龙芯 明天

龙芯处理器的后续发展

虽然龙芯2号处理器的推出，使得我们在处理器领域又向前迈出了较为坚实的一步，相比龙芯1号处理器在性能上有了10-15倍的提升，不过跟世界主流处理器相比，无论是在设计还是在性能上都还有着相当明显的差距，另外在中国龙芯处理器兼容性不强也是阻碍发展一个较为明显的弊端。正因为如此，龙芯2号也在不断的更进和完善，意欲更为向主流处理器靠近。据了解龙芯2号的下一版本将在技术上有着更为明显的更新和变化，它将使用130纳米的加工技术，主频者可达到1GHz，同时会采用速度更快的前端总线，并支持DDR内存。这将使得龙芯2号有着更为全面的技术表现，相信在市场中也会有进一步的发展。

龙芯三号及龙芯未来市场展望

龙芯3号的考虑

龙芯总设计师胡伟武博士表示，虽然龙芯2号正火热推广，但龙芯3号也正在预研。在完成上述龙芯2号处理器在技术上的更新和改进之后，研发技术人员将迅速投入到下一代“龙芯3号”的开发上面，据悉“龙芯3号”处理器将是一款多核处理器，至少也是一款四核的产品，并增加专门服务于Java程序的协处理器，以提高Linux环境下Java程序的执行效率，指令缓存追踪技术等。他还透露龙芯3号研发将在十一五期间完成，龙芯3号最终将实现对内峰值每秒500-1000亿次的计算速度。另外龙芯也要研发3G芯片胡伟武博士这样表示，龙芯不止会

投入到嵌入式的芯片研发上，作为非嵌入式的3G通信芯片，龙芯也将涉足研究，以全方面的产品系列推出市场。

中国龙芯的市场前景

通过我国科学技术人员的不断努力，我国的龙芯处理器已经在逐渐的成长，发展势头初露端倪。不过由于存在着指令集不相兼容的问题，所以前不久推出的龙芯2号处理器，不会与Intel和AMD的处理器在市场上产生竞争，而龙芯2号会主要把市场战略向非PC行业作为突破口。虽然，现在中国龙芯系列处理器还无法与之国际主流处理器厂商的产品相抗衡，不过以迅猛的发展势头，也引起了国外厂商和媒体的广泛关注，这样才会出现一些国外媒体报道说龙芯2号侵权等风风雨雨的事情。虽然或多或少受到一些影响，不过正面积极的因素始终占据很大一部分，正如In-Stat公司的分析师汤姆-哈夫希尔所说的一样，如果龙芯产品今后在技术上进一步提高，其市场竞争力不可低估。

面对中国这个潜力广阔的大市场，龙芯还有很长的一段路要走，合理地找准市场地位，如何发挥其产品的技术优势并加大应用推广的力度，是目前龙芯处理所需要做的。中国在处理器方面与国外的差距较大，这是我们要证实的，需要经过长时间多年的努力才能在CPU的整体水平上接近国外的水平，其实这不是靠一两个企业或科研单位可以完成的，这需要我国科技人员大家共同出谋划策，共同努力才能实现的。龙芯处理器的推出其实只是中国处理器行业的排头兵，相信他的推出会带动较大一批相关单位对于处理器研发的重视，从而提高市场竞争力。饭要一口一口吃，路要一步一步走，想马上追赶市场主流技术趋势的脚步不太现实，我们只有坚实的做好每一步，完全有理由相信，中国自行研发制造的通用处理器将会掀开展新的一页！

本文标签： 处理器设计芯片