国产飞控机的突围：处理器篇
近年来，老美利用多年积累的科技优势，不断挥舞着科技大棒对他国进行毫无顾忌的制裁。再加上疫情的影响，全球供应链的重组，进一步加剧了电子产品的缺口。面对电子器件的巨大缺口，以及航空领域的敏感性、战略性以及民用市场上的广泛，全国产的飞控产品成为确保国家安全和经济安全的重要保障。说到处理器的国产化，我国从2000年就有了清醒认识和布局。接下来，我们就来探讨一下国产飞控系统的可能性。这篇文章，我们先来了解一下飞控系统的核心器件：处理器，国内产品的发展情况。
处理器是信息产业的基础部件，也是电子设备的核心部件。处理器也被称作中央处理单元( Central Processing Unit，CPU) ，是计算机的运算与控制核心。嵌入式计算机设计很大程度上由处理器的发展推动的。
现在所说的 CPU，包含了处理器内核( Core) 芯片上集成的控制、处理设备，是一个完整的系统级芯片( System on Chip，SoC) 。在嵌入式通用处理器的选型和设计中，其基础为指令集架构( Instruction Set Architecture) ，常用的指令集包括 X86、ARM、MIPS 架构等。指令集架构，也称为处理器架构，是 CPU 的灵魂。
指令集架构是区分不同处理器的主要标准。目前国产处理器均借用了成熟的指令集架构，包括 ARM、Power、x86、Alpha、MIPS、SPARC、RISC-V 等，采取了不同的授权使用方式。本文以指令集架构来分类介绍国内处理器的情况，对不同架构的处理器的性能进行对比测试，并就嵌入式处理器的发展进行分析分析。选取 ARM、MIPS两种典型架构，介绍国内主要的厂商和产品。
1） 基于ARM指令集的国产处理器
ARM( Advanced RSIC Machines，ARM) ，1985 年由英国 Acorn Computers 公司处理器设计部门研制的RSIC 指令架构。采取不同的授权模式，国内处理器厂家非常多，其中，飞腾和华为海思已取得指令集授权，可以独立研制处理器。其中，飞腾系列处理器有望在工业控制领域获得大规模应用。
飞腾公司 2014 年获得 ARM V8 架构的永久授权，自主研发微内核，提供了对ARM V8 架构的良好兼容。飞腾ARM 架构处理器的产品谱系分为面向高性能服务器 CPU 的飞腾腾云S系列，高效能桌面 CPU 的飞腾锐 D 系列，高端嵌入式的飞腾腾珑 E 系列。
飞腾 FT2000A/2 处理器是面向嵌入式应用领域的高性能国产处理器芯片，器件的主要技术指标可以对标国外的 PC8640D 处理器。 FT2000A/2和PC8640D主要技术指标对比见表 1。
2） 基于MIPS指令集的国产处理器
无内部互锁流水级的微处理器 ( Microprocessor without Interlocked Piped Stages，MIPS) 是一种简洁优化的 RISC 指令架构。MIPS 是当下除了ARM 之外一个最被人熟知的 RISC 架构，MIPS 处理器曾广泛应用在嵌入式设备和消费领域。国内公司持续采用 MIPS 架构设计处理器，如龙芯、君正等，并在 MIPS 基础上，开展自主设计，打造自己的指令集生态。
龙芯公司，在获得 MIPS 授权后，先后研制出了 LS2 /LS3 等通用 CPU。在消化吸收的基础上，推出了自主兼容 LoongArch 指令集，该指令集完全兼容 MIPS，融合了 x86、ARM、RISC-V 等指令系统的主要功能，生态不断完善。
龙芯处理器分为小中大( 龙芯 1、2、3) 3 个系列，分别面向低端嵌入式、高端嵌入式/低端桌面、桌面/服务器 3 个应用领域。在嵌入式通用处理器系列中，龙芯 LS2K1000 已经广泛应用于高性能嵌入式计算机中。面向桌面和高端嵌入式应用，龙芯研发了第三代多核龙芯处理器 LS3A4000。表 2 为 LS2K1000 和PC8640D 主要技术指标对比。
在高端嵌入式 CPU 设计领域，华创微公司开发了兼容 MIPS 指令集的华睿系列处理器。面向高性能和低功耗的需求，研发了 HC3000 /2000 /1000 高、中、低端 3 个产品谱系。HC3000 系列: 集成 2 /4 /8 /16 以上HM464v 系列矢量处理核以及可选配的特定领域可重构加速核，面向高性能嵌入式处理应用，并可向桌面/服务器延伸; HC2000 系列: 集成 2 /4 个 HM464 系列超标量处理核，面向电力电网、通信、轨道交通等领域;HC1000 系列: 集成 1 /2 个 HM232 系列低功耗超标量处理核，面向工业控制、物联网等领域。
3）国内嵌入式处理器的发展现状
选取典型的国产嵌入式处理进行测试，测试采用SPEC2006 标准测试和信号处理典型算法测试。SPEC2006 基准测试中，处理器选择国产 ARM 架构的 FT2000 /2 和国外 Power 架构 PC8640D 进行对比测试。针对嵌入式应用特点选取了 10 个典型测试程序。测试中，以 MPC8640 作为基准系统，FT2000A/2进行得分换算，测试结果如表3所示。在表3所列的测试条件下，ARM 架构 FT2000A/2 的单核处理性能优于 Power 架构的 PC8640D，FT2000A/2 的单核处理平均性能约为 PC8640D 的3.5倍。
典型算法测试，选取信号处理中典型的均方根算法。处理器选择国产 ARM 架构的 FT2000 /2、MIPS 架构 HRDSP2040 和信号处理 DSP FT- M6678H 进行对比测试。测试结果如表 4 所示。
以表 4 所列的测试条件为前提，在不优化的情况下，处理性能由高到底为 FT2000A/2 ＞ FT- M6678H ＞HRDSP2040，在打开O3优化的条件下，处理性能由高到低为 FT- M6678H ＞ HRDSP2040 ＞ FT2000A/2。需要说明的是，FT- M6678H 和 HRDSP2040 处理器在设计上专门针对信号处理做了优化。
参考文献：
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