SuperH - SuperH
Дизайнер | Hitachi Ltd. |
---|---|
Биты | 32-бит (32 → 64) |
Введено | 1990-е |
дизайн | RISC |
Кодирование | SH2: 16-битные инструкции; SH2A и новее: смешанные 16- и 32-битные инструкции |
Порядок байтов | Би |
Открыто | Да, и без лицензионных отчислений[1] |
SuperH (или SH) это 32-битный вычисление с сокращенным набором команд (RISC) архитектура набора команд (ISA) разработано Hitachi и в настоящее время производится Renesas. Реализуется микроконтроллеры и микропроцессоры для встроенные системы.
На момент своего появления SH2 отличался наличием 16-битных инструкций фиксированной длины, несмотря на 32-битную архитектуру. Это был новый подход: в то время ширина инструкций RISC-процессоров всегда определялась шириной архитектуры. Другими словами, 32-битные процессоры RISC всегда использовали фиксированные 32-битные инструкции.
Позже возникла идея того, что сейчас называется сжатым набором инструкций.[нужна цитата ] был принят другими компаниями, наиболее ярким примером является РУКА которые лицензировали соответствующие патенты SuperH для создания Большой палец Набор инструкций.
По состоянию на 2015 год[Обновить], многие из оригинальных патенты для архитектуры SuperH истекают, и ЦП SH2 был переопределен как оборудование с открытым исходным кодом под именем J2.
История
Семейство процессорных ядер SuperH было впервые разработано Hitachi в начале 1990-х гг. Хитачи разработал целую группу восходящая совместимость Набор инструкций Ядра процессора. SH-1 и SH-2 использовались в Sega Saturn, Sega 32X и Capcom CPS-3.[2] Эти ядра имеют 16 бит инструкции для лучшей плотности кода, чем 32-битные инструкции, что было большим преимуществом в то время из-за высокой стоимости основная память.
Несколько лет спустя ядро SH-3 было добавлено к семейству процессоров SH; новые функции включали еще одну концепцию прерывания, блок управления памятью (MMU) и измененная концепция кеширования. Ядро SH-3 также получило DSP расширение, затем называется SH-3-DSP. С расширенными путями данных для эффективной обработки DSP, специальными аккумуляторами и выделенным MAC -типа DSP, это ядро объединяло мир DSP и RISC-процессоров. Производная также использовалась с оригинальным сердечником SH-2.
С 1994 по 1996 год по всему миру было отгружено 35,1 миллиона устройств SuperH.[3]
Для Dreamcast, Hitachi разработал архитектуру SH-4. Суперскаляр (2-стороннее) выполнение инструкции и вектор блок с плавающей запятой (особенно подходит для 3d графика ) были изюминками этой архитектуры. Стандартные чипы на основе SH-4 были представлены примерно в 1998 году.
Ш-3 и Архитектуры SH-4 поддерживают порядок байтов с прямым и обратным порядком байтов (они двухконечный ).
Лицензирование
Hitachi и STMicroelectronics еще в 1997 году начал сотрудничать в разработке SH-4. В начале 2001 года они сформировали IP компания SuperH, Inc., которая собиралась лицензировать ядро SH-4 другим компаниям и разрабатывала архитектуру SH-5, первый шаг SuperH в 64-битную область.[4][5] В 2003 г. Hitachi и Mitsubishi Electric образовали совместное предприятие под названием Renesas Technology, 55% которой принадлежит Hitachi. В 2004 году Renesas Technology купила долю собственности STMicroelectronics в SuperH Inc. и вместе с ней лицензию на ядра SH.[6] Renesas Technology позже стала Renesas Electronics после слияния с NEC Electronics.
Конструкция SH-5 поддерживала два режима работы. Режим SHcompact эквивалентен инструкциям пользовательского режима Комплект инструкций SH-4. Режим SHmedia очень отличается, используя 32-битные инструкции с шестьюдесятью четырьмя 64-битными целочисленными регистрами и SIMD инструкции. В режиме SHmedia пункт назначения ветвь (переход) загружается в регистр перехода отдельно от фактической инструкции перехода. Это позволяет процессору предварительно выбирать инструкции для перехода без необходимости отслеживать поток инструкций. Комбинация компактного 16-битного кодирования инструкций с более мощным 32-битным кодированием инструкций не уникальна для SH-5; РУКА процессоры имеют 16-битный Большой палец режим (ARM лицензировала несколько патентов SuperH для Thumb[7]) и MIPS у процессоров есть режим MIPS-16. Однако SH-5 отличается тем, что его режим обратной совместимости - это 16-битная кодировка, а не 32-битная кодировка.
Эволюция архитектуры SuperH продолжается. Последний этап эволюции произошел примерно в 2003 году, когда ядра от SH-2 до SH-4 были объединены в суперскалярное ядро SH-X, которое образует своего рода надмножество набора инструкций по сравнению с предыдущими архитектурами.
сегодня[когда? ], ядра ЦП SuperH, архитектура и продукты Renesas Electronics, слияние полупроводниковых групп Hitachi и Mitsubishi, и архитектура консолидируется вокруг платформ SH-2, SH-2A, SH-3, SH-4 и SH-4A, образуя масштабируемое семейство.
J Core
Последний из патентов SH-2 истек в 2014 году. LinuxCon Япония 2015, разработчики j-core представили повторное внедрение чистых помещений ISA SH-2 с расширениями (известный как "ядро J2" из-за неистекшего товарные знаки ).[7][8] Впоследствии на ELC 2016 было представлено пошаговое руководство по дизайну.[9]
В Открытый исходный код BSD лицензированный VHDL код для ядра J2 был проверен на Xilinx ПЛИС и дальше ASIC изготовлен на TSMC с 180 нм процесс и может загружаться µClinux.[7] J2 обратно совместим с ISA с SH-2, реализован как 5-ступенчатый конвейер с отдельными интерфейсами памяти команд и данных, а также сгенерированный машиной декодер команд, поддерживающий плотно упакованный и сложный (по сравнению с другими RISC-машинами) ISA. Дополнительные инструкции легко добавить. J2 реализует инструкции для динамического сдвига (с использованием шаблонов инструкций SH-3 и более поздних версий), расширенных атомарных операций (используемых для потоковых примитивов) и блокировки / интерфейсов для поддержки симметричной многопроцессорной системы. Планы по внедрению наборов инструкций SH-2A (как «J2 +») и SH-4 (как «J4») по истечении срока действия соответствующих патентов в 2016-2017 гг.[7]
Некоторые особенности SuperH были названы мотивацией для разработки новых ядер на основе этой архитектуры:[7]
- Высоко плотность кода по сравнению с другими 32-битными RISC Как есть такие как РУКА или MIPS[10] важно для производительности кеш-памяти и пропускной способности памяти
- Существующий компилятор и Операционная система поддержка (Linux, Windows Embedded, QNX[8])
- Чрезвычайно низкий ASIC изготовление стоит сейчас, когда истекает срок действия патентов (около 0,03 доллара США для двухъядерного ядра J2 по 180 нм техпроцессу TSMC).
- Внедрение без патентов и лицензионных отчислений (лицензия BSD)
- Полная и активная поддержка сообщества
- Доступность недорогой платформы разработки аппаратного обеспечения для бесплатных инструментов FPGA
- Инструменты генерации и интеграции RTL для ЦП и SoC, создание портативных RTL для FPGA и ASIC и документация
- Чистый, современный дизайн с открытым исходным кодом, среда генерации, моделирования и проверки
Модели
Семейство процессорных ядер SuperH включает:
- SH-1 - используется в микроконтроллерах для глубоко встраиваемых приложений (CD-ROM диски, основные приборы, так далее.)
- SH-2 - используется в микроконтроллерах с более высокими требованиями к производительности, также используется в автомобилях, таких как блоки управления двигателем или в сетевых приложениях, а также в игровых консолях, таких как Sega Saturn. SH-2 также нашел применение во многих автомобильных блок управления двигателем приложения, в том числе Subaru, Mitsubishi, и Mazda.
- SH-2A - Ядро SH-2A является расширением ядра SH-2, включая несколько дополнительных инструкций, но, что наиболее важно, переход на суперскалярную архитектуру (она способна выполнять более одной инструкции за один цикл) и две пяти- этапные трубопроводы. Он также включает 15 банков регистров для обеспечения задержки прерывания в 6 тактовых циклов. Он также хорош в приложениях для управления двигателем, а также в мультимедиа, автомобильной аудиосистеме, трансмиссии, управлении автомобильным кузовом и автоматизации офисов + зданий.
- SH-DSP - изначально разработан для мобильный телефон market, который позже будет использоваться во многих потребительских приложениях, требующих производительности DSP для JPEG сжатие и т. д.
- SH-3 - используется для мобильных и портативных приложений, таких как Хорнада, сильный в Windows CE приложений и рынка в течение многих лет на рынке автомобильной навигации. В Пещера CV1000, аналогично Sega NAOMI CPU оборудования, также использовавший этот CPU. Музыкальные производственные устройства Korg Electribe EMX и ESX также используют SH-3.[11]
- SH-3-DSP - используется в основном в мультимедийных терминалах и сетевых приложениях, а также в принтерах и факсах.
- SH-4 - используется, когда требуется высокая производительность, например, автомобильные мультимедийные терминалы, игровые приставки, или телеприставки
- SH-5 - используется в 64-битных мультимедийных приложениях высокого класса
- SH-X - основное ядро, используемое в различных вариантах (с / без DSP или FPU) в блоке управления двигателем, автомобильном мультимедийном оборудовании, приставках или мобильных телефонах
- SH-Mobile - процессор мобильных приложений SuperH; предназначен для разгрузки обработки приложений с LSI основной полосы частот
SH-2
SH-2 представляет собой 32-битную архитектуру RISC с 16-битной фиксированной длиной инструкции для высокой плотности кода и оснащен аппаратным обеспечением. умножать – накапливать (MAC) для алгоритмов DSP и имеет пятиступенчатый конвейер.
В SH-2 есть тайник на все ПЗУ безбарьерные устройства.
Он обеспечивает 16 регистров общего назначения, векторный базовый регистр, глобальный базовый регистр и регистр процедуры.
Сегодня семейство SH-2 простирается от 32 КБ встроенной флэш-памяти до устройств без ПЗУ. Он используется во множестве различных устройств с различными периферийными устройствами, такими как CAN, Ethernet, блок таймера управления двигателем, быстрый АЦП и другие.
SH-2A
SH-2A - это обновление ядра SH-2, в которое добавлены 32-битные инструкции. Об этом было объявлено в начале 2006 года.
Новые функции ядра SH-2A включают:
- Суперскалярная архитектура: выполнение 2 инструкций одновременно
- Гарвардская архитектура
- Два 5-ступенчатых трубопровода
- Смешанные 16-битные и 32-битные инструкции
- 15 банков регистров для реакции на прерывания за 6 циклов.
- Дополнительный FPU
Семейство SH-2A сегодня охватывает широкую область памяти от 16 КБ до и включает в себя множество вариантов без ПЗУ. Устройства оснащены стандартными периферийными устройствами, такими как МОЧЬ, Ethernet, USB и многое другое, а также дополнительные периферийные устройства для конкретных приложений, такие как блок управления двигателем таймеры, TFT контроллеры и периферийные устройства, предназначенные для автомобильных трансмиссий.
SH-4
SH-4 - это 32-битный RISC-процессор, разработанный для основного использования в мультимедийных приложениях, таких как Sega. Dreamcast и НАОМИ игровые системы. Он включает гораздо более мощный модуль с плавающей запятой.[Примечание] и дополнительные встроенные функции, а также стандартная обработка 32-битных целых чисел и 16-битный размер инструкции.
Характеристики SH-4 включают:
- FPU с четырьмя умножителями с плавающей запятой, поддерживающий 32-битные числа с плавающей запятой одинарной и 64-битной двойной точности
- 4D с плавающей точкой операция скалярного произведения
- 128-битная шина с плавающей запятой, обеспечивающая скорость передачи данных из кеша данных 3,2 ГБ / с
- 64-битная внешняя шина данных с 32-битной адресацией памяти, позволяющая до 4 ГБ адресуемой памяти со скоростью передачи 800 МБ / с
- Встроенные контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти и управления питанием
^ В кастомном SH4, сделанном для Casio, SH7305 нет FPU.
SH-5
SH-5 - это 64-битный RISC-процессор.[12]
Практически не было выпущено немоделированное оборудование SH-5,[13] и в отличие от еще живого SH-4, поддержка SH-5 была прекращена с gcc.[14]
использованная литература
- ^ J-core Открытый процессор
- ^ «Оборудование CP System III (CPS3) (Capcom)». www.system16.com. Система 16. Получено 3 августа 2019.
- ^ http://segatech.com/technical/cpu/tech_sh4.html
- ^ «STMicro и Hitachi планируют новую компанию по разработке ядер RISC». EE Times. 3 апреля 2001 г.
Hitachi создала семейство процессоров SH и разработала его первые четыре основные итерации, но работает с ST с 1997 года, когда компании согласились поделиться общей дорожной картой для высокопроизводительных микропроцессоров. Они совместно разработали 32-битное процессорное ядро SH4 RISC и начали разработку архитектуры SH5, которую теперь будет дорабатывать SuperH. Первым продуктом SuperH будет ядро SH4. Более ранние версии SH не будут частью соглашения о выделении.
- ^ «SuperH, Inc., созданная Hitachi и STMicroelectronics для ускорения распространения ядер SuperH ™ во встроенных микропроцессорных приложениях».
- ^ «Renesas возьмет на себя основной бизнес SuperH». EE Times. 28 сентября 2004 г.
- ^ а б c d е Натан Уиллис (10 июня 2015 г.). «Возрождение архитектуры SuperH». LWN.net.
- ^ а б "Ядра J". j-core. Архивировано из оригинал 11 мая 2016 г.. Получено 27 апреля, 2016.
- ^ http://j-core.org/talks/ELC-2016.pdf
- ^ В.М. Уивер (17 марта 2015 г.). «Исследование пределов плотности кода (технический отчет с новейшими результатами)» (PDF).
- ^ Кувабара (25 июля 2019 г.). "Руководство по обслуживанию Korg EMX / ESX" (PDF).
- ^ "Ядро процессора SH-5, Том 1: Архитектура" (PDF).
- ^ "Пресс-релиз Wasabi SH-5". 8 марта 2016 г.
- ^ «Изменения, новые функции и исправления GCC 7 Release Series». 2 февраля 2018.
внешние ссылки
- Renesas SuperH, Продукты, Инструменты, Руководства, Примечания к приложениям, Информация
- Архитектура ядра процессора SH-4 компании Hitachi & STMicroelectronics
- J-core Открытый процессор
- J-сердечник на GitHub
- Список разработчиков Linux SuperH
- DCTP - Hitachi 200 МГц SH-4 на Wayback Machine (архивировано 10 августа 2016 г.)
- незавершенный перенос Debian для SH4