1.4.2　龙芯1B处理器架构

现在，重新看图1.4。从图中，可以很直观地看到该处理器内集成了大量的外设。准确来讲，应该将外设称为外设控制器，这是因为这些外设控制器需要连接到具体的外部设备，以控制这些外部设备的工作状态。计算机中所说的外设通常是指外设控制器。而对于具体的外设来说，它需要通过外设控制器才能与CPU打交道，这一点要特别注意。因为外设控制器与CPU核集成在一个芯片中，因此将这些外设控制器简称为片内外设。

1.Arm AMBA简介

读者从图1.4给出的内部结构中可以看到AXI和APB这样的缩写，它们是Arm公司的高级微控制器总线结构（Advanced Microcontroller Bus Architecture，AMBA）规范的一部分。该规范定义了处理器（大脑）访问外设控制器和存储器系统的方式。

读者肯定要问，为什么采用Arm公司的AMBA作为1B处理器芯片内处理器核和外设，以及外部存储器系统的连接标准呢？这是因为在龙芯的1B处理器内会使用到别人已经设计好的模块，如外设控制器和存储器控制器，我们经常把这些模块称作知识产权（Intellectual Properity，IP）核，简称IP核。这些IP核通常由三大EDA工具厂商（包括Synopsys、Cadence和Mentor公司）来设计并提供（通常需要付费）。这里需要注意，不是随便拿一个设计好的电子模块就能称为IP核，它必须符合IEEE 1685-2014标准，该标准为IEEE IPXACT标准，规定了工具流程中封装、集成和重用IP的标准结构。这些EDA工具厂商的IP核采用了Arm公司的AMBA规范。AMBA中的高级外设总线（Advanced peripheral Bus，APB）规定了CPU核与存储器映射的低速外设之间通信的规范，AMBA中的高级高性能总线（Advanced High-performance Bus，AHB）规定了CPU核与存储器映射的高速外设之间的通信规范。AMBA中的高级可扩展接口（Advanced Extensible Interface，AXI）是一种基于开关架构的规范，用于处理器和外部设备（包括存储器系统）的更高级互联。

2.芯片内的分层结构

龙芯1B芯片内部互联分层架构的构成如下所示。

（1）第一级互联通过AXI XBAR实现。在该互联结构中，CPU核、显示控制器（Display Controller，DC）、DDR控制器，以及AXI-MUX连接到3×3的AXI XBAR上。需要注意，在该级互联结构中，以开关的方式连接这些功能部件。与传统的使用共享总线连接多个功能设备不一样的是，当以开关的方式连接这些功能部件时，不会降低系统的吞吐量，并且开关连接在其两个端口上的功能部件可以进行直接互相访问。

简单来说，第一级互联结构用于连接“大脑”和“存储器”系统，以及与外设进行数据交互的唯一通道AXI-MUX。也就是说，CPU核与龙芯1B芯片内所有的片上外设进行数据交换的唯一通道就是AXI-MUX。

（2）第二级互联结构的中心是中央AXI-MUX。两个千兆以太网控制器GMAC0和GMAC1、两个第二级AXI-MUX（AXI-MUX-1和AXI-MUX-2）、APB接口以及USB控制器连接到中央AXI-MUX。在该结构中，提供了除XBAR性能外的最高吞吐量。

需要注意，通过XBAR的从设备端口，以及中央AXI-MUX的主设备端口将XBAR和中央AXI-MUX连接在一起。

注：在这个结构中，需要搞清楚1B芯片中设备的主从关系。在该芯片中，CPU核和DMA是两个主设备，而其他单元都是从设备。

（3）第三级互联是通过与中央AXI-MUX连接的AXI-MUX-1和AXI-MUX-2，以及AXI-APB接口为中心的互联。

① 通过AXI-MUX-1，DMA开关连接到中央AXI-MUX。在DMA开关下，连接了3个DMA控制器，即DMA0、DMA1和DMA2。通过AXI-MUX的主设备端口与DMA开关的从设备端口，将AXI-MUX-1和DMA开关连接在一起。

② 通过AXI-MUX-2，CONF模块和两个SPI控制器SPI0与SPI1连接到中央AXIMUX。通过中央AXI-MUX从设备端口和AXI-MUX-2的从设备端口，将中央AXI-MUX和AXI-MUX-2连接在一起。

③ APB接口。通过中央AXI-MUX的主设备端口和APB的从设备端口，将APB连接到中央AXI-MUX。

通过APB接口，将低速片上外设控制器（包括6个UART、1个AC97控制器、2个CAN控制器、1个NAND Flash控制器、1个RTC控制器，以及3个IIC控制器）连接到处理器系统中。

思考与练习1-13：从图1.4可知，龙芯1B处理器芯片的处理器核与各种外设的连接采用的是Arm公司的________。

思考与练习1-14：简要说明Arm公司的AMBA规范中APB实现的功能、AHB实现的功能、AXI实现的功能。

思考与练习1-15：从图1.4可知，龙芯1B处理器芯片内部采用了________级互联结构。与传统采用共享总线的方式相比，第一级互联结构采用开关结构的优势。

思考与练习1-16：根据图1.4给出的内部结构，互联结构从上到下，吞吐量是逐渐________（降低/升高）。

注：本书中的所有内容就是围绕着这个互联结构展开的，包括CPU核的内部架构、指令集、存储器系统、总线规范，以及片上外设的原理。