【正文】 摘要摘要本文分析了以 Motorola PowerPC 處理器為核心的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計方案。設(shè)計中采用了 PowerPC603R 和 PowerPC860 處理器，包括 VME 總線，AD、DA 數(shù)據(jù)采集，RD、SD 軸角轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LASH、SRAM 存儲器，1553B 航空總線等功能模塊，使用嵌入式實時操作系統(tǒng) VxWorks 進行軟件任務(wù)調(diào)度。解決了某雷達處理機的數(shù)據(jù)處理問題。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，PowerPC，嵌入式系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)VxWorksAbstractABSTRACTAbstract: The paper analyzed the design of the embedded data processing system utilizing Motorola PowerPC processors. In the design, we adopted the PowerPC603E and PowerPC860 processors, including the VME bus line, AD and DA data collection, RD and SD axes angle conversion,FLASH and used the embedded realtime operation system Vxworks to realize the software task schedule. It settled the data processing problem of a certain radar processor.Keywords: Data Processing System, PowerPC , Embedded system,Real time Operation System Vxworks. 目錄i目錄摘要 .........................................................IABSTRACT....................................................II第一章 緒論 ..................................................1 背景 .....................................................1 POWERPC 處理器 .........................................1第二章 POWERPC603R 處理器 ....................................5 POWERPC603R 的結(jié)構(gòu) .......................................5 Power PC603R 處理器特點..............................5第三章 POWERPC860SR 處理器 ..................................11 POWERPC860SR 的功能 ....................................11 PowerPC860SR 的組成................................11第四章 操作系統(tǒng)的引用 .......................................13 嵌入式實時操作系統(tǒng) VXWORKS ..............................13 數(shù)據(jù)處理單元各模塊硬件構(gòu)成 .............................16 命令分析及任務(wù)調(diào)度模塊 .................................20第五章 結(jié)論與展望 ...........................................21參考文獻 ....................................................22致謝 ........................................................23附錄：調(diào)試方法與步驟 ........................................24PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計1第一章 緒論 背景為了提高機載雷達的性能，增強雷達對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的自適應(yīng)能力，并從十分復(fù)雜的背景中獲取更多更清晰的目標(biāo)信息，在進行新體制雷達研究的同時，對信號處理系統(tǒng)提出了新的要求，信號處理單元完成對雷達回波信號的各種處理，擔(dān)負著校正，脈沖壓縮，相參和非相參積累，恒虛警，雜波跟蹤，對地高分辨成像等任務(wù)，數(shù)據(jù)處理單元主要完成雷達數(shù)據(jù)處理，雷達系統(tǒng)控制，單目標(biāo)和多目標(biāo)跟蹤，與綜合航電火控系統(tǒng)的通信等任務(wù)，具有多種非總線接口和總線接口，為了簡化設(shè)計，提高可靠性和適應(yīng)未來任務(wù)的擴充，信號處理單元在任務(wù)調(diào)度上采用了大狀態(tài)復(fù)位切換機制。Vxworks 采用了模塊化結(jié)構(gòu)，可使軟件修改過程更方便，軟件可靠性進一步提高。嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是以嵌入式計算機為技術(shù)核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用程序等四部分組成，是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件” ，用于實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。PowerPC 處理器采用 RISC，主要應(yīng)用于通訊設(shè)備、自動控制和工業(yè)機器人等。PowerPC 支持緩沖的共享存儲器結(jié)構(gòu)，有較高的處理帶寬，對于塊數(shù)據(jù)處理十分有效。PowerPC 有較高的時鐘頻率和功能強大的處理核，更適合于后端數(shù)據(jù)處理。PowerPC 使用嵌入式操作系統(tǒng) VxWorks和開發(fā)環(huán)境 Tornado 開發(fā)非常方便。數(shù)據(jù)處理單元是一個嵌入式實時多處理器系統(tǒng)，其中包括一個主處理器和若干從處理器。 PowerPC 處理器PowerPC 體系結(jié)構(gòu)是一種精減指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)，定義了 200 多條指令。PowerPC 之所以是 RISC，原因在于大部分指令在一個單一的周期內(nèi)執(zhí)行，而且通常只執(zhí)行一個單一的操作（比如將內(nèi)存加載到寄存器，或者將寄存器數(shù)江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專科論文據(jù)存儲到內(nèi)存） 。PowerPC 體系結(jié)構(gòu)分為三個級別（或者說是“book” ） 。通過對體系結(jié)構(gòu)以這種方式進行劃分，為實現(xiàn)可以選擇價格/性能比平衡的復(fù)雜性級別留出了空間，同時還保持了實現(xiàn)間的代碼兼容性。從超級計算機到游戲控制臺，從服務(wù)器到手機，隨處可見 PowerPC 處理器的身影 它們的體系結(jié)構(gòu)全都相同。Book I. 用戶指令集體系結(jié)構(gòu)定義了通用于所有 PowerPC 實現(xiàn)的用戶指令和寄存器的基本集合。這些是非特權(quán)指令，為大多數(shù)程序所用。 Book II. 虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu)定義了常規(guī)應(yīng)用軟件要求之外的附加的用戶級功能，比如高速緩存管理、原子操作和用戶級計時器支持。雖然這些操作也是非特權(quán)的，但是程序通常還是通過操作系統(tǒng)調(diào)用來訪問這些函數(shù)。Book III. 操作環(huán)境體系結(jié)構(gòu)定義了操作系統(tǒng)級需要和使用的操作。其中包括用于內(nèi)存管理、異常向量處理、特權(quán)寄存器訪問、特權(quán)計時器訪問的函數(shù)。Book III 中詳細說明了對各種系統(tǒng)服務(wù)和功能的直接硬件支持。 從最初的 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)開始，就根據(jù)特定的市場需求而發(fā)生分支。當(dāng)前，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹有兩個活躍的分支，分別是 PowerPC AS 體系結(jié)構(gòu)和 PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)。PowerPC AS 體系結(jié)構(gòu)是 IBM 為了滿足它的 eServer pSeries UNIX 和 Linux 服務(wù)器產(chǎn)品家族及它的 eServer iSeries 企業(yè)服務(wù)器產(chǎn)品家族的具體需要而定義的。PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)，也被稱為 Book E，是 IBM 和 Motorola 為滿足嵌入式市場的特定需求而合作推出的。 PowerPC AS 所采用的原始 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)與 Book E 所采用的擴展之間的主要區(qū)別大部分集中于 Book III 區(qū)域中。在這些衍生的體系結(jié)構(gòu)中還有一些適當(dāng)?shù)膽?yīng)用級擴展，這些擴展大部分與具體應(yīng)用的場合相關(guān)，但是 PowerPC AS 和 PowerPC Book E 共享在 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的 Book I 中定義的基本指令集。雖然三種體系結(jié)構(gòu)主要在操作系統(tǒng)級別上表現(xiàn)出不同，但它們在很大程度上具備應(yīng)PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計3用級的兼容性PowerPC 最初定義了同時對 32 位和 64 位實現(xiàn)的支持，可以讓 32 位的應(yīng)用程序運行于 64 位系統(tǒng)之上。在 IBM pSeries 和 iSeries 服務(wù)器上使用的 PowerPC AS 系統(tǒng)現(xiàn)在只提供體系結(jié)構(gòu)的 64 位實現(xiàn)，新的 64 位應(yīng)用程序和遺留的 32 位的應(yīng)用程序可以運行于同一個系統(tǒng)之上。PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)同時有 32 位實現(xiàn)和 64 位實現(xiàn)，64 位實現(xiàn)也完全兼容 32 位 PowerPC 應(yīng)用程序。這兩種體系結(jié)構(gòu)都具備與 PowerPC Book I 指令和寄存器的完全兼容性，同時提供了對內(nèi)存管理、異常和中斷、計時器支持和調(diào)試支持等各方面的系統(tǒng)級擴展。PowerPC 應(yīng)用程序編程模型當(dāng)用到不止一種類型的 PowerPC 處理器時，開發(fā)人員應(yīng)時刻謹記處理器內(nèi)存的方式存在一些差異。 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)本身支持字節(jié)（8 位） 、半字（16 位） 、字（32 位） 和雙字（64 位） 數(shù)據(jù)類型。PowerPC 實現(xiàn)還可以處理最長 128 字節(jié)的多字節(jié)字符串操作。32 位 PowerPC 實現(xiàn)支持 4gigabyte 的有效地址空間，而 64 位 PowerPC 實現(xiàn)支持 16exabyte 的有效地址空間。所有存儲都可以字節(jié)尋址。對于錯位數(shù)據(jù)訪問來說，不同的產(chǎn)品家族提供了不同的校準(zhǔn)支持，有一些是以處理異常的方式，其他的是通過硬件中的一步或者多步操作來處理訪問。最高位字節(jié)在最前（Bigendian）還是最低位字節(jié)在最前（littleendian）?PowerPC、PowerPC AS 以及早期的 IBM PowerPC 4xx 家族大部分是字節(jié)排列順序最高位在最前的機器，這就意味著對半字、字以及雙字訪問來說，最重要的字節(jié)（mostsignificant byte，MSB）位于最低的地址。各實現(xiàn)對最低位在最前的字節(jié)排列順序方式的支持不同。PowerPC 和 PowerPC AS 提供了最小限度的支持，而 4xx 家族為最低位字節(jié)在最前的存儲提供了更為健壯的支持。Book E 是字節(jié)排列順序無關(guān)的，因為 Book E 體系結(jié)構(gòu)完全支持這兩種訪問方法。江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院?？普撐腜owerPC 應(yīng)用級寄存器PowerPC 的應(yīng)用級寄存器分為三類：通用寄存器（generalpurpose register，GPR） 、浮點寄存器（floatingpoint register [FPR] 和浮點狀態(tài)和控制寄存器 [FloatingPoint Status and Control Register，F(xiàn)PSCR]）和專用寄存器（specialpurpose register，SPR） 。讓我們來分別看一下這三類寄存器。通用寄存器（GPR）用戶指令集體系結(jié)構(gòu)（Book I）規(guī)定，所有實現(xiàn)都有 32 個 GPR（從 GPR0 到 GPR31） 。GPR 是所有整數(shù)操作的源和目的，也是所有加載/存儲操作的地址操作數(shù)的源。GPR 還提供對 SPR 的訪問。所有 GRP 都是可用的，只有一種情況例外：在某些指令中，GPR0 只是代表數(shù)值 0，而不會去查找 GPR0 的內(nèi)容。浮點寄存器（FPR）Book I 規(guī)定，所有實現(xiàn)都有 32 個 FPR（從 FPR0 到 FPR31） 。FPR 是所有浮點操作的源和目的操作數(shù)，可以存放 32 位和 64 位的有符號和無符號整數(shù)，以及單精度和雙精度浮點數(shù)。FPR 還提供對 FPSCR 的訪問。浮點狀態(tài)和控制寄存器（FPSCR）捕獲浮點操作的狀態(tài)和異常結(jié)果，F(xiàn)PSCR 還具有控制位，以支持特定的異常類型和對四種舍入模式之一的選擇。對 FPSCR 的訪問要通過 FPR。PowerPC 芯 片 成 功 ， 并 制 造 出 基 于 PowerPC 的 多 處 理 器 計 算 機 。PowerPC 架 構(gòu) 的 特 點 是 可 伸 縮 性 好 、 方 便 靈 活 。 第 一 代 PowerPC 采用 微 米 的 生 產(chǎn) 工 藝 ， 晶 體 管 的 集 成 度 達 到 單 芯 片 300 萬 個 。1998 年 ， 銅 芯 片 問 世 ， 開 創(chuàng) 了 一 個 新 的 歷 史 紀(jì) 元 。 2022 年 ， IBM 開始 大 批 推 出 采 用 銅 芯 片 的 產(chǎn) 品 ， 如 R