玄铁RISC-V处理器8款芯片实战分析

虽然RISC-V 架构还不完善，在诸如安全、虚拟化架构、IOMMU/SMMU、中断控制架构、RAS（Reliability，Availability and Serviceability）等方面还刚起步，在代码密度（code size）、虚拟内存管理、原子操作效率等方面也还存在一些缺陷，但这不会妨碍 RISC-V 架构的长远向好发展，因为其开源的本质不曾改变。 回顾Linux 内核的发展历史，在 Linux 内核之前，IBM 的 Unix 收费操作系统无论在稳定性和用户体验上都是非常成功的，而相比之下刚出道的 Linux 内核无论在稳定性以及用户体验上都比较糟糕，但是由于 Linux 内核的开源属性迅速在 5 年时间内（1991 年到 1996 年）吸引了超过 350 万开发者的使用。 经过30年的发展，Linux 操作系统（基于 Linux 内核开发的各种操作系统）已经成为世界上最主流的操作系统之一（Windows 主要在桌面机，IOS/安卓主要在智能手机和平板电脑），无论在服务器、云计算以及嵌入式领域基本已是 Linux 内核的天下。 RISC-V 和 X86、ARM 的竞争完全是不同维度的竞争，他们三个分别是全球处理器技术演进在不同阶段的产物，而基本可以确定的是未来三种架构会长期共存，只是应用的侧重领域有所不同罢了。 本文来自“玄铁RISC-V处理器入门及实战”，平头哥玄铁 CPU 是智能、安全、端云一体芯片架构的基石，为数字化时代提供计算核心。玄铁自诞生以来，坚持核心技术自研发展道路，新系列产品积极拥抱开源 RISC-V架构。

入门级微控制器：E902

玄铁 E902 采用 2 级极简流水线并对执行效率进行了增强，典型工作频率＞150MHz，是首款支持硬件安全扩展技术的 RISC-V 处理器。可以应用在对功耗和成本极其敏感的IoT、MCU 等场景。

E902 处理器采用 2 级流水线结构：取指和执行。指令取指阶段主要负责从内存中获取指令；指令执行阶段主要负责指令译码、执行和回写。

高能效微控制器：E906

玄铁 E906 采用 5 级按序流水线，典型工作频率＞1GHz，可选性能优异的单精度浮点单元以及标量 DSP 计算单元。可以应用在无线接入、音频、中高端 MCU、导航等场景。

E906 处理器采用 5 级流水线结构：取指、译码、执行、内存访问、写回。 ● 取指阶段，访问指令 Cache 或者总线，获取指令，同时访问 BTB，发起 0 延时跳转。 ● 译码阶段，访问动态分支预测器和返回栈，发起分支的预测跳转，同时进行指令译码，读取寄存器堆，处理数据相关性和数据前馈。 ● 执行阶段，完成单周期整型计算指令和多周期乘除法指令的执行、存储/加载指令地址计算和跳转指令处理。其中，整型计算包括普通的算术指令和逻辑指令。 ● 内存访问阶段，利用执行阶段产生的存储/载入指令的目标地址访问数据 Cache 或者总线。 ● 写回阶段，将指令执行结果写回寄存器堆。 E906 设计有片上紧耦合的 IP 接口和多条 AHB-Lite 的总线接口。片上紧耦合的 IP 接口集成矢量中断控制器（CLIC），支持中断嵌套。外部中断源数量最高可配置 240 个，中断优先级支持 4/8/16/32 级可配置。

计算增强型微控制器：E907

玄铁 E907 采用 5 级按序流水线，典型工作频率＞1GHz，是玄铁 MCU 处理器中的性能最高的处理器核，可选配高性能浮点以及 DSP 计算单元，同时支持 TCM 扩展以及中断加速技术以进一步提升实时性。可以应用在语音入口 MCU、TWS、MPU、多模无线接入等场景。

E907 处理器采用 5 级流水线结构：取指、译码、执行、内存访问、写回。 ● 取指阶段，访问指令 Cache 或者外部总线，获取指令，同时访问 BTB，发起 0 延时跳转。 ● 译码阶段，访问动态分支预测器和返回栈，发起分支的预测跳转，同时进行指令译码，读取寄存器堆，处理数据相关性和数据前馈。 ● 执行阶段，完成单周期整型计算指令和多周期乘除法指令的执行、存储/加载指令地址计算和跳转指令处理。其中，整型计算包括普通的算术指令和逻辑指令。 ● 内存访问阶段，利用执行阶段产生的存储/载入指令的目标地址访问数据 Cache 或者外部总线。 ● 写回阶段，将指令执行结果写回寄存器堆。 E907 设计有片上紧耦合的 IP 接口和两条主设备总线接口。片上紧耦合的 IP 接口集成矢量中断控制器（CLIC），支持中断嵌套。外部中断源数量最高可配置 240 个，中断优先级支持 4/8/16/32 级可配置。

高能效应用处理：C906

玄铁 C906 采用 5-8 级变长流水线，典型工作频率＞1GHz，标配内存管理单元，可运行 Linux 等操作系统，并可选性能优异的单精度浮点和矢量运算单元。可以应用在消费类 IPC、多媒体、消费类电子等场景。

C906 核内子系统主要包含：指令提取单元（IFU）、指令译码单元（IDU）、整型执行单元（IU）、浮点单元（FPU）、可配的矢量执行单元（VPU）、存储载入单元（LSU）、指令退休单元（RTU）、虚拟内存管理单元（MMU）、物理内存保护单元（PMP）、主设备接口单元（AXI Master IF）等。

兼容 64 位高能效处理：C908

玄铁 C908 采用 9 级双发按序流水线，典型工作频率＞2GHz，通过指令融合技术进一步提升流水线效率，实现了卓越的能效比。兼容 RVA22 标准，同时兼容 RISC-V 最新Vector1.0 标准以进一步提升 AI 算力。

C908 核内子系统主要包含：指令提取单元（IFU）、指令执行单元（IEU）、矢量浮点执行单元（VFPU）、存储载入单元（LSU）、虚拟内存管理单元（MMU）和物理内存保护单元（PMP）。

高性能应用处理：C910

玄铁 C910 采用 12 级多发乱序流水线，典型工作频率＞2.5GHz，是首款实现规模化量产的高性能乱序 RISC-V 处理器。采用 3 发射、8 执行的深度乱序执行架构，针对算术运算、内存访问以及多核同步等方面进行了增强。

C910 核内子系统主要包含：指令提取单元（IFU）、指令译码单元（IDU）、整型执行单元（IU）、浮点单元（FPU）、存储载入单元（LSU）、指令退休单元（RTU）、虚拟内存管理单元（MMU）和物理内存保护单元（PMP）。 C910 多核子系统包含：数据一致性接口单元（CIU）、二级高速缓存、主设备接口单元、可配置的 AXI4.0 设备一致性接口（DCP，Device Coherence Port）、平台级中断控制器（PLIC）、计时器和自定义多核单端口调试框架。

AI 加速引擎：C920

玄铁 C920 采用 12 级多发乱序流水线，典型工作频率＞2.5GHz，标配单精度浮点单元，并可进一步选配高性能乱序矢量运算单元。同时具备出色的访存能力，支持高性能数据预取技术。可以应用在有高并发算力要求的人工智能、自动驾驶等场景。

C920 核内子系统主要包含：指令提取单元（IFU）、指令译码单元（IDU）、整型执行单元（IU）、浮点单元（FPU）、矢量执行单元（VU）、存储载入单元（LSU）、指令退休单元（RTU）、虚拟内存管理单元（MMU）和物理内存保护单元（PMP）。 C920 多核子系统包含：数据一致性接口单元（CIU）、二级高速缓存、主设备接口单元、可配置的 AXI4.0 设备一致性接口（DCP，Device Coherence Port）、平台级中断控制器（PLIC）、计时器和自定义多核单端口调试框架。

可靠实时增强：R910

玄铁 R910 用 12 级多发乱序流水线，典型工作频率＞2.5GHz，同时支持 Cache 以及TCM 存储架构，各级片上存储支持校验纠错以提升可靠性，可进一步选配快速外设接口以及一致性外设接口，从而大幅提升系统实时性。可以应用在对实时性及算力有高要求的企业级 SSD，网络通信等场景。

R910 核内子系统主要包含：指令提取单元（IFU）、指令译码单元（IDU）、整型执行单元（IU）、浮点单元（FPU）、存储载入单元（LSU）、指令退休单元（RTU）、虚拟内存管理单元（MMU）和物理内存保护单元（PMP）。 R910 多核子系统包含：数据一致性接口单元（CIU）、二级高速缓存、主设备接口单元、可配置的快速外设访问接口（LLP）、可配置的 APB 主设备接口（FPP）、可配置的紧耦合内存访问接口（TCMSP）、可配置的 AXI4.0 设备一致性接口（DCP，Device Coherence Port）、平台级中断控制器（PLIC）、计时器和自定义多核单端口调试框架。

编辑：黄飞