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龙芯

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龙芯
Loongson logo.svg
產品化 2002
推出公司 龙芯中科航天龙梦神州龙芯
設計團隊 中国科学院计算技术研究所中国科学院龙芯中科
生产商
指令集架構 MIPS64、MIPS32LoongISA
制作工艺/製程 180 nm 至 28 nm
核心数量 1-8
CPU主频范围 8 MHz 至 2.0 GHz
HyperTransport速率 800 MHz 至 2.4 GHz
應用平台 桌面,服务器,超级计算机,工控机,嵌入式,教育,航天

龙芯(英語:Loongson,舊稱Godson[1])是由中国科学院计算技术研究所龙芯中科神州龙芯等机构、公司所设计的通用中央處理器,採用MIPSLoongISA精简指令集架構,由MIPS科技公司授權使用MIPS指令集[2]。龙芯1号系列为嵌入式领域芯片,已经被多家企业使用。龙芯2号系列速度最高為1GHz,用于瘦客户端、工控等低中端领域。龙芯3号系列于2010年推出成品,用于桌面、服务器、超算、工控等领域。目前中国科学院计算技术研究所亦有研发以龙芯为处理器的超级计算机计划[3]

芯片[编辑]

龙芯一号[编辑]

龙芯一号于2000年开始研制,2001年8月19日龙芯一号逻辑设计在FPGA平台上运行起来。这一天被定为龙芯的生日。2002年9月28日正式发布投产成功。龙芯一号整体的性能低于IntelPentium II。[4]为了纪念胡伟武的导师夏培肃先生从事计算机事业50周年,“龙芯一号”被命名为“夏50”。[5]

龙芯1号系列[编辑]

2010年4月,中国科学院与北京市共同组建的龙芯中科有限公司中关村环保园建立了龙芯产业园。公司成立后,龙芯调查市场,重新建立了低端嵌入式产品线——龙芯1号。

2011年左右,龙芯研发了一款面向嵌入式市场的处理器龙芯1A。于2012年提供产品,可作为龙芯其他处理器的桥片。龙芯1B在嵌入式处理器研发上继续做减法,于2011年流片成功,先于龙芯1A,这是龙芯第一次从全系统的角度来考虑降低成本的芯片。

此后龙芯于2013年针对指纹生物识别应用推出了龙芯1C,2018年针对超人智能锁研发了1C101芯片。2014年龙芯与三川智慧合作,为智能水表、气表、量热表定制的一款超声波计量专用芯片龙芯1D。

龙芯1G是用于苏州上声音响的一款音响专用芯片。2015年新研的龙芯1H芯片针对石油钻探领域随钻测井应用设计,设计目标是175摄氏度超高温工作条件下的长时间可靠运行。于2017年4月发布。目前,龙芯1H已经在长庆油田得到了应用。

除此之外,1号系列中还有1E、1F系列的龙芯航天专用抗辐照处理器、1J抗辐照单片机芯片。[6]

龙芯2号系列[编辑]

龍芯2號系列最初的版本是用0.13微米製程技術,均为64位处理器,早期的型号是4发射乱序执行的64位GS464 系列处理器核,后来新出的处理器升级为采用GS464E处理器核。龙芯2K处理器是双发射乱序执行的GS264处理器核的64位双核处理器。龙芯2GQ则是一款4核处理器。

龙芯2A/2B/2C/2D[编辑]

龙芯2C处理器

龙芯2号的设计从2002年7月开始,采用4发射和乱序执行结构的设计,64位设计,7~10级流水线。龙芯2号的寄存器堆设计有两个方案,A方案采用的商用寄存器堆设计出错,导致流片失败;B方案流片成功,2003年10月17日成功启动操作系统,最高频率为300MHz,功耗1W—2W。相同主频下,龙芯2B的性能已经超过了PentiumII,是龙芯1号的3~5倍。为了纪念毛主席诞辰110周年,龙芯2B代号MZD110。龙芯2号的性能是之前研制成功的龙芯1号的3倍,超过了相同主频的奔腾II的性能。

龙芯2C是龙芯2B的优化版本。性能是之前研制成功的龙芯2B性能的3倍,达到了相同主频的奔腾III的性能。为了纪念邓小平诞辰100年,龙芯2C的代号为DXP-100。在中科院微电子所的黄令仪研究员的回忆文章中,提到了她参与了龙芯2D的物理设计。在《龙芯的足迹》中《2006年回顾及2007年展望》一文中,胡伟武说“2005年我们面临的严峻形势赋予龙芯2E背水一战的悲壮色彩”。

龙芯2E[编辑]

龙芯2E在2005年11月底交付流片,2006年3月18日流片成功。

龍芯-2E 處理器

龙芯2E是中国大陆首款采用90纳米技术设计的处理器,晶体管数目4700万,主频最高可以达到1GHz。龙芯2E的芯片面积6.8mm*5.2mm,只有Intel奔腾4的1/4。性能是龙芯2C的三倍,达到中低档Intel 奔腾IV处理器的水平。在龙芯2E 的优化设计过程中,意法半导体与龙芯进行了合作。基于龙芯2E的成功,意法半导体还花三百多万美元授权费购买了龙芯2E/2F的生产和销售授权,开创了我国计算机核心技术对外授权的先例。由于龙芯2E的北桥使用FPGA实现,成本较高,该处理器没有大规模量产[7][8]

2009年,中国石油大学的硕士丰大强及其他们的课题组实现了Windows® CE在龙芯2E上的移植,帮助了龙芯早期嵌入式生态的发展。[9]

龙芯2F/2F1000[编辑]

属于理察·斯托曼一台搭载龍芯2F芯片的江蘇龍夢笔记本电脑,該電腦甚至于在BIOS層級完全是自由軟體

龙芯2F于2007年7月31日流片成功。龙芯2F是龙芯第一款成功的商用处理器。为了纪念建军80周年,龙芯2F代号为PLA80。龙芯2F包含5100万晶体管,主频800MHz,采用意法半导体 90纳米工艺流片。在指令集上,完全兼容64位MIPS III。采用龙芯2F处理器的福珑迷你电脑,以及8089A/D笔记本电脑,曾经大量面向爱好者销售。至今,仍有大量的龙芯爱好者持有这两种产品。

龙芯2G/2G+/2GQ/2G-2000[编辑]

龙芯2G是在“龙芯安全适用计算机CPU研制与应用”核高基专项课题支持下研发的,于2008年投入设计,2010年研制成功。龙芯2G指令集兼容MIPS64,且增加了X86二进制翻译加速指令,以及龙芯媒体扩展指令,功耗3W。在该处理器上,使用了X86二进制翻译技术,提出了在MIPS平台上实现X86动态二进制翻译的方法。龙芯2G相当于龙芯3A1000的单核版本。龙芯2GQ是龙芯2G的量产版,是一款四核处理器。龙芯2GQ与龙芯3A1000的区别在于龙芯2GQ不支持多路互联。龙芯2GP后来更名为龙芯2I。

龙芯2H[编辑]

龙芯2H是龙芯2G处理器与龙芯1A(2F南桥)的后继产品,其目标是为安全适用计算机提供单片解决方案。主要用于网络设备等。兼容MIPS64指令集,支持X86二进制翻译指令集。集成了GS232V 媒体处理IP。

龙芯2H最初设想的应用是上网本,后实际用于工控领域,包括防火墙在内的网络安全领域。龙芯2H于2012年流片,2013年提供样片,2014年提供产品。集成了很多的功能,芯片设计复杂,但缺少对特定应用的优化。龙芯2H既可以作为独立SOC,还可以作为HT接口的南桥芯片。

龙芯2K1000/2K2000[编辑]

龙芯2K1000处理器正面照
龙芯二代派主板正面照

龙芯2K1000是一款双核处理器,采用了双发射64位的LS264微结构,40nm工艺生产,商业级芯片主频1GHz,工业级芯片主频800MHz。龙芯2K1000处理器是龙芯2H的升级芯片,其计算性能和IO带宽比龙芯2H都大幅提高。龙芯2K1000主要面向网络通信应用,兼顾平板及工业控制领域。

龙芯2K2000是计划中龙芯2K1000的升级版,采用28纳米工艺生产,主频将达到2GHz。

龙芯3号系列[编辑]

龙芯3号处理器开始进行了多核处理器架构设计[10],均为4发射64位多核处理器。目前,除了龙芯3B1000和3B1500处理器为8核,其他的龙芯3号处理器均为4核。龙芯3C5000处理器会将处理器核数提高到16。龙芯3号处理器的微结构分为LS464、LS464E、LS464v以及LS464V(LS464EV)。

3B系列使用了基于层次化目录的缓存一致性协议,可以在相对较低的功耗下达到较高的峰值性能(仅存在于3B1000和3B1500)[10]

龙芯3A1000/3B1000[编辑]

龙芯3A1000是中国国首个四核CPU芯片[11],主频800MHz-1GHz。实现了x86二进制翻译加速指令。直到现在3A1000还在工控领域中被运用。

龙芯3B1000由核高基项目课题“高性能多核CPU研发与应用”支持,其向量处理器核将GS464核的的浮点部件和浮点寄存器堆替换为2个256位的向量处理部件和1个128x256位的向量寄存器堆,使龙芯3B在1GHz下的峰值双精度浮点计算能力达到128GFlops。在龙芯3B处理器中,实现了300多条专用的向量处理指令。芯片面积300mm²,晶体管数目接近6亿。

龙芯3B1500[编辑]

龙芯3B1500E处理器正面照
龙梦A1310主板(集成龙芯3B1500E处理器)

龙芯原本计划推出一款16核的龙芯3C处理器,后来由于战略调整而取消,缩水成8核的龙芯3B1500。龙芯3B1500集成了8个四发射乱序执行的64位GS464V处理器核,9级流水线,单芯片双精度浮点计算能力达到192GFlops。龙芯3B1500在2012年1月中旬完成设计并交付流片。后工艺从32nm迁移到28nm,于2013年4月底流片,后因流片不成功恢复到32nm工艺流片,再次改版,于2015年1月底流片。[12][13]

龙芯3A2000/3A1500I/3B2000[编辑]

龙芯3A2000于2014年11月初交付流片,2015年8月18日正式发布。单核通用处理器性能提高了3倍。龙芯3A1500I是龙芯3A2000的陶封版本,是工业级芯片,采用中芯国际40纳米LL技术流片。

龙芯3B2000是龙芯3A2000的多路互联版,主要应用于双路8核以及四路16核服务器[14]

龙芯3A3000/3B3000[编辑]

龙芯3A3000采用LS464E自主微结构设计,主频可达1.5GHz[15]

龙芯3A3000处理器正面照

和龙芯3A2000相比,除了流片工艺从中芯国际的40纳米提升到意法半导体的28纳米CMOS工艺,处理器的三级cache也从4MB提高到8MB。峰值浮点性能24GFlops。集成72位DDR2/3-1600*2,支持 ECC,综合通用性能和Intel Celeron J1900相当。[16]龙芯中科总裁胡伟武表示,“3A3000的通用处理性能已经跨过了国际通用处理器性能的第一个门槛,其单核SPEC CPU2006性能已经不低于ARM用于服务器的高端处理器、Intel的低端系列(凌动系列)处理器以及威盛处理器,而且3A3000的访存带宽已经与AMD以及Intel的高端系列(酷睿系列)持平。这样的性能对于以党政办公为代表的事务处理应用已经足够。”[17]

龙芯3A4000/3B4000[编辑]

龙芯3A4000/3B4000即将发布,预计综合性能是上一代3A3000的两倍[11]。3A4000采用新一代LS464V微架构,集成两个64位DDR4-3200MHz控制器,支持ECC,支持安全可信设备[6]

龙芯3A5000/3C5000[编辑]

龙芯下一代高性能芯片3A5000,已在2019年年底流片。龙芯3A5000采用3A4000的处理器微结构LS464V,采用14/12nm工艺流片,主频提升到2.5GHz。3C5000将是一款16核处理器。

龙芯桥片系列[编辑]

龙芯7A1000[编辑]

龙芯7A1000型桥片是龙芯3号处理器的第一款芯片组产品,目标是替代AMD RS780(E)+SB710 芯片组,为龙芯处理器提供南北桥功能。

龙芯7A1000桥片正面照,集成在搭载3A3000的主板上

即将发布的龙芯3A4000将不再采用AMD的RS780芯片组,而采用龙芯7A作为桥片,避免在桥片的选择上受制于AMD。

龙芯7A2000[编辑]

作为龙芯下一代芯片的配套桥片,龙芯7A2000是龙芯7A1000的升级版。相对于7A1000,7A2000的PCIE控制器代码龙芯计划自己编写,且为PCIE Gen3。采用的28nm工艺,GPU为自研GPU。

从未公布的隐藏处理器[编辑]

除了龙芯1号、2号、3号三个系列的处理器,在龙芯的发展过程中还开发了一些实验型的处理器,并没有量产,有些甚至没有流片。

龙芯处理器在发展过程中,一度想要用做超算处理器,开发一款64核的众核处理器,命名为Godson-T。Godson-T由计算所先进微系统研究组研发,2008年已经在进行RTL验证在2008年12月开始RTL代码编写。2010年5月,GodSon-T的原型芯片16核GodSon-TI交付流片,采用130纳米工艺。2010年10月17日,调试成功。由于龙芯将研发重点重新转向提高处理器单核性能,Godson-T处理器研发中止。[18]

为了实现对现有生态的兼容,龙芯3A系列实现了针对x86指令和arm指令的二进制翻译指令。在研发过程中,由于知识产权和专利等原因而无法使用x86指令集,龙芯开发了使用x86指令集的处理器原型Godson-X。它与x86兼容,并支持英特尔MMX 指令,SSE指令集和x87浮点指令。 [18]

中科龙梦(现更名为航天龙梦)使用早期的龙芯1号的IP核,开发了龙梦一号SOC,用于税控机(Fiscalcontroller register)。 [18]该税控 SoC 专用芯片以“龙芯1”处理器核作为MCU,采用AHB(the Advanced High performance Bus)+APB(the Advanced Peripheral Bus)为片上总线。 [19] [20]


此外,还有神州龙芯根据龙芯2号设计的一款SOC芯片GS32I。 [18]

指令集[编辑]

MIPS II[编辑]

MIPS III[编辑]

MIPS32[编辑]

MIPS64[编辑]

LoongISA[编辑]

LoongISA(简称LISA)是龙芯中科注册的自主CPU指令集(由MIPS架构MIPS指令集拓展而来,采用MIPS的指令集格式)。现在LISA有两个版本,各为LISA 1.0和LISA 2.0。

微架构[编辑]

LS132/LS132R[编辑]

LS232/LS232E[编辑]

LS264/LS264E[编辑]

LS464[编辑]

LS464v[编辑]

LS464E[编辑]

LS464V(LS464EV)[编辑]

處理器規格[编辑]

系列 型號 頻率
兆赫茲
架構
微架構 年份 核心數目 製程
纳米
晶體管
(百万)
芯片尺寸
平方毫米
功率
電壓
缓存KiB 峰值浮点性能
GFLOPS
备注
一级(单核) 二级 三级
数据 指令
Godson 1 266 MIPS-II 32-bit 不適用 2001 1 180 22 71.4 1.0 未知 8 8 不適用 不適用 0.6 [5][4]
FCR_SOC 266 MIPS-II 32-bit 不適用 2007 1 180 未知 未知 未知 未知 8 8 不適用 不適用 0.6 [19][20]
2B 250 MIPS-III 64-bit 不適用 2003 1 180 未知 未知 未知 未知 32 32 不適用 不適用 未知
2C 450 MIPS-III 64-bit 不適用 2004 1 180 13.5 41.5 未知 未知 64 64 不適用 不適用 未知
2E 1000 MIPS-III 64-bit LS464 (r1)(原型) 2006 1 90 47 36 7 1.2 64 64 512 不適用 未知
龍芯1 1A 300 MIPS32 LS232 2010 1 130 22 71.4 1.0 未知 16 16 不適用 不適用 0.6 [21]
1B 266 MIPS32 LS232 2010 1 130 13.3 28 0.6 未知 8 8 不適用 不適用 未知 [22]
1C 300 MIPS32 LS232 2013 1 130 11.1 28.3 0.5 未知 16 16 不適用 不適用 未知 [23]
1C101 8 MIPS32 LS132R 2018 1 130 未知 未知 未知 未知 不適用 不適用 不適用 不適用 未知 [24]
1D 8 MIPS32 LS132 2014 1 130 1 6 3 × 10−5 未知 不適用 不適用 不適用 不適用 未知 [25]
龍芯2 2F 1200 MIPS-III 64-bit LS464 (r1) 2007 1 90 51 43 5 1.2 64 64 512 不適用 3.2 [26]
2G 1000 MIPS64 LS464 (r2) 2012 1 65 未知 未知 未知 1.15 64 64 4096 不適用 未知 [27]
2GP 800 MIPS64 LS464 (r2) 2013 1 65 82 65.7 8 1.15 64 64 1024 不適用 3.2
2I
2H 1000 MIPS64 LS464 (r2) 2012 1 65 152 117 5 1.15 64 64 512 不適用 4
2J0800 800 MIPS64 LS464 (r2) 2013 1 65 未知 未知 8 1.1 64 64 1024 不適用 未知
2J1500 800 MIPS64 LS464E 2016 1 40 未知 未知 8 未知 64 64 1024 不適用 未知
2K1000 1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

LS264E 2017 2 40 1900 79 5 1.1 32 32 256 × 2 1024 8 [28]
龍芯3 3A1000 1000 MIPS64 Release 2 LS464 (r2) 2009 4 65 425 174.5 10 1.15 64 64 256 × 4 不適用 16 [29]
3B1000 1000 MIPS64 Release 2 LS464v 2010 4+4 65 > 600 未知 20 1.15 64 64 128 × 8 不適用 未知 [30]
3B1500 1200–1500 MIPS64 Release 2 LS464v 2012 4+4 32 1140 142.5 30(典型)
60(向量)
1.15–1.35 64 64 128 × 8 8192 150
3A1500-I 800–1000 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

LS464E 2015 4 40 621 202.3 15 1.15–1.25 64 64 256 × 4 4096 16 [31]
3A2000
3B2000
3A3000 1500 MIPS64 Release 2

LoongISA1.0

LS464E 2016 4 28 > 1200 155.78 30 1.15–1.25 64 64 256 × 4 8192 24 [32][33]
3B3000
3A4000 1800-2000 MIPS64 Release 5

LoongISA2.0

LS464EV(LS464V) 2019 4 28 ? ? 40@1.6GHz

60@1.8GHZ

80@2.0GHz

0.95-1.25 64 64 256 x 4 8192 128
3B4000

软件生态[编辑]

操作系统[编辑]

编译器[编辑]

Java[编辑]

开源社区[编辑]

基于龙芯的产品已经成为Debianmipsel架構的编译服务器。[34]

基于龙芯的产品也已经成为了Golang语言的编译服务器。[35][36]

龙芯中科龍夢以及其他一些个人内核开发者一直在Linux主线内核(kernel.org)提交并维护龙芯相关的代码,并为MIPS架构实现了ftrace英语ftrace,zboot等功能。

应用[编辑]

个人电脑产品[编辑]

Gdium筆記本

自从龙芯2F发布以来,有数款笔记本电脑都采用了此种低功耗处理器,例如江苏龙梦逸珑笔记本电脑(YeeLoong)、深圳一本通电脑有限公龙腾笔记本电脑EBT700,有800x480分辨率。采用龙芯2F处理器,主频1GHz、EMTEC生产的Gdium笔记本电脑。龍夢也设计了使用龙芯2F的一体机,迷你计算机,台式机等产品。

步入3A/3B时代之后,龍夢继续设计制造了许多龙芯的台式机,一体机,笔记本等设备。同时,也有许多其他厂商发布了使用龙芯处理器的个人电脑,其中包括同方、联想 、浪潮、曙光、方正、百信这些OEM/ODM厂商,各自推出了基于龙芯3号系列CPU和龙芯桥片的个人台式机、一体机和笔记本电脑。[37]

服务器/存储/云终端[编辑]

龙芯处理器被广泛应用于服务器,存储,云等领域。其中,有曙光、同方 、龙梦、浪潮、宝德、方正、百信这些OEM/ODM厂商,推出了基于龙芯处理器的服务器、存储和云终端,在政务市场上得到大规模的应用。[38]

网络设备[编辑]

一些厂商推出了基于龙芯处理器的交换机、路由交换、服务器密码机和签名验证服务器。[39]

嵌入式產品[编辑]

龙芯在第二十界中国金融发展论坛上的产品展览

龙芯产品(CPU和SoC)已经广泛运用于网安、能源、交通、金融、物联网。工控等领域。其中,金融方面有直接搭载龙芯CPU和桥片的金融自助设备(包括ATM取款机和CRS存取款一体机)[40]和终端工控主机[41];交通方面有基于龙芯的交通信号机,基于龙芯1D的交通行人灯,基于龙芯1C/1D的道路交通环境检测系统,基于龙芯服务器的城市交通智能控制系统软件,基于龙芯3A3000/2K的ETC/MTC工控计算机和基于龙芯计算机的ETC/MTC收费应用支撑系统[42];网络安全方面有许多基于龙芯的防火墙、交换机、网闸、网关[43];物联网方面有基于龙芯的门禁、门锁等[44][45][46];工控方面有基于龙芯的工控PLC、数控机床;能源方面有基于龙芯1D芯片的三川智慧的水表、热表。

行业应用/IP授权[编辑]

2014年,海信获得龙芯GS232 IP核授权,发布了Hi-View Pro画质引擎芯片,是中国电视企业第一块画质芯片,核心由龙芯CPU核、海信高清画质引擎共同组成。[47]2019年4月22日,国科微和龙芯签订协议,龙芯授权IP核给国科微,国科微下一代产品GK2302将采用龙芯的IP核来作为主控芯片中的CPU。[48]到现在为止,基于龙芯的IP授权大于1000万颗。

高性能机/超级计算机[编辑]

KD-50-I[编辑]

2007年12月,研制成功集成了336颗64位龙芯2F处理器的中國国产首台万亿次高性能计算机KD-50-I,其理论峰值计算能力达到1.008万亿次。项目由中科大教授陈国良院士主持。该计算机成本控制在80万人民币以下[49][50]

教育[编辑]

航天[编辑]

龙芯中科2013年後開始研发人造衛星使用的抗宇宙輻射晶片,龙芯中科已掌握抗辐照加固技术、工艺及设计规范,设计研制了抗辐照处理器,其性能达到国外抗辐照处理器的指标。[6] 2017年,至少有三顆北斗衛星採用龙芯芯片在軌運行。[51][52]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 龙芯处理器英文品牌定名Loongson(组图)_业界_科技时代_新浪网. tech.sina.com.cn. 
  2. ^ 龙芯故事 - 关于那些不明真相的群众对龙芯的疑惑,龙芯有关MIPS指令集使用说明。
  3. ^ 俞铮,中科院超龙计划立项 龙芯三号造超级计算机,新华网
  4. ^ 4.0 4.1 国产高性能通用CPU“龙芯”1号投产成功
  5. ^ 5.0 5.1 HU Wei-Wu. TANG Zhi-Min. Architecture of the Godson-1 Processor. Chinese Journal of Computers. 2003, (4). 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 龙芯3A4000 与 龙芯3A3000 的性能比对及宇航芯片介绍
  7. ^ 李斌,苗苗,中国研发出新一代通用芯片——龙芯2E 互联网档案馆存檔,存档日期2016-09-19.,新华网
  8. ^ 意法半导体3000万购买龙芯2E生产销售权 互联网档案馆存檔,存档日期2007-01-05.,驱动之家
  9. ^ 基于龙芯平台的Windows CE的移植与优化--《中国石油大学》2009年硕士论文. cdmd.cnki.com.cn. [2018-07-02]. 
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  11. ^ 11.0 11.1 把“不可能”变为现实的龙芯团队(科技视点·“关键核心技术攻关记”之五). paper.people.com.cn. 2013-07-17 [2019-09-10]. 
  12. ^ 龙芯3B1500. 
  13. ^ Bonito 3c780e Start.S (1.5Ghz@1.35v). 
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  15. ^ 加强软件与应用支撑 “中国芯”亟需拓展“朋友圈”. 人民网. 2017-05-09 [2019-09-10]. 
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外部連結[编辑]