【正文】 連 同 極 高 的 網(wǎng) 絡(luò) 和 通 信 外 圍 設(shè) 系 統(tǒng) 。 這 種 低 成 本多 用 途 的 集 成 處 理 器 的 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 是 使 用 PCI 接 口 的 網(wǎng) 絡(luò) 基 礎(chǔ) 結(jié) 構(gòu) 、電 訊 和 其 它 嵌 入 式 應(yīng) 用 。 由 于 CPM 分 擔(dān) 了 嵌 入 式 PowerPC 核 的 外 圍 工 作 任務(wù) ， 這 種 雙 處 理 器 體 系 結(jié) 構(gòu) 功 耗 要 低 于 傳 統(tǒng) 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 的 處 理 器 。PowerPC 處 理 器 家 族 包 括 的 一 些 極 為 經(jīng) 典 的 通 信 處 理 器 介 紹 ： PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)5MPC860： MPC860 PowerQUICC 內(nèi) 部 集 成 了 微 處 理 器 和 一 些 控 制 領(lǐng)域 的 常 用 外 圍 組 件 ， 特 別 適 用 于 通 信 產(chǎn) 品 。 第 一 代 PowerPC 采用 微 米 的 生 產(chǎn) 工 藝 ， 晶 體 管 的 集 成 度 達(dá) 到 單 芯 片 300 萬(wàn) 個(gè) 。浮點(diǎn)狀態(tài)和控制寄存器（FPSCR）捕獲浮點(diǎn)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(duì)四種舍入模式之一的選擇。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(huì)去查找 GPR0 的內(nèi)容。讓我們來(lái)分別看一下這三類寄存器。各實(shí)現(xiàn)對(duì)最低位在最前的字節(jié)排列順序方式的支持不同。32 位 PowerPC 實(shí)現(xiàn)支持 4gigabyte 的有效地址空間，而 64 位 PowerPC 實(shí)現(xiàn)支持 16exabyte 的有效地址空間。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(shí)提供了對(duì)內(nèi)存管理、異常和中斷、計(jì)時(shí)器支持和調(diào)試支持等各方面的系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展。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(jí)擴(kuò)展，這些擴(kuò)展大部分與具體應(yīng)用的場(chǎng)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。當(dāng)前，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹有兩個(gè)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)。Book III. 操作環(huán)境體系結(jié)構(gòu)定義了操作系統(tǒng)級(jí)需要和使用的操作。Book I. 用戶指令集體系結(jié)構(gòu)定義了通用于所有 PowerPC 實(shí)現(xiàn)的用戶指令和寄存器的基本集合。PowerPC 之所以是 RISC，原因在于大部分指令在一個(gè)單一的周期內(nèi)執(zhí)行，而且通常只執(zhí)行一個(gè)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(chǔ)到內(nèi)存） 。PowerPC 有較高的時(shí)鐘頻率和功能強(qiáng)大的處理核，更適合于后端數(shù)據(jù)處理。嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是以嵌入式計(jì)算機(jī)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(chǔ)器，1553B 航空總線等功能模塊，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks 進(jìn)行軟件任務(wù)調(diào)度。解決了某雷達(dá)處理機(jī)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。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(dú)立工作的“器件” ，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。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。PowerPC 體系結(jié)構(gòu)分為三個(gè)級(jí)別（或者說(shuō)是“book” ） 。這些是非特權(quán)指令，為大多數(shù)程序所用。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(wèn)、特權(quán)計(jì)時(shí)器訪問(wèn)的函數(shù)。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。雖然三種體系結(jié)構(gòu)主要在操作系統(tǒng)級(jí)別上表現(xiàn)出不同，但它們?cè)诤艽蟪潭壬暇邆鋺?yīng)PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)3用級(jí)的兼容性PowerPC 最初定義了同時(shí)對(duì) 32 位和 64 位實(shí)現(xiàn)的支持，可以讓 32 位的應(yīng)用程序運(yùn)行于 64 位系統(tǒng)之上。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(shí)，開發(fā)人員應(yīng)時(shí)刻謹(jǐn)記處理器內(nèi)存的方式存在一些差異。所有存儲(chǔ)都可以字節(jié)尋址。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(chǔ)提供了更為健壯的支持。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(shí)現(xiàn)都有 32 個(gè) GPR（從 GPR0 到 GPR31） 。浮點(diǎn)寄存器（FPR）Book I 規(guī)定，所有實(shí)現(xiàn)都有 32 個(gè) FPR（從 FPR0 到 FPR31） 。對(duì) FPSCR 的訪問(wèn)要通過(guò) FPR。1998 年 ， 銅 芯 片 問(wèn) 世 ， 開 創(chuàng) 了 一 個(gè) 新 的 歷 史 紀(jì) 元 。 PowerQUICC 可 以 被 稱 為MC6 和 集 成 度 等 。MPC8245： MPC8245 集 成 PowerPC 處 理 器 適 用 于 那 些 對(duì) 成 本 、 空 間 、功 耗 和 性 能 都 有 很 高 要 求 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 它 可 用 于 路 由 器 、 接 線 器 、 網(wǎng) 絡(luò) 存 儲(chǔ) 應(yīng) 用和 圖 像 顯 示 系 統(tǒng) 。 MPC8260 PowerQUICC II 可 以 稱 作 是 MPC860 PowerQUICC 的 下 一 代 產(chǎn) 品 ， 它 在各 方 面 的 提 供 更 高 的 性 能 ， 包 括 更 大 的 靈 活 性 、 擴(kuò) 展 的 能 力 和 更 高 的集 成 度 。 PowerPC 內(nèi) 核 和 CPM 的 組 合 ， 加 之 MPC8260 的 多 功 能 和 高 性 能 ，為 用 戶 在 網(wǎng) 絡(luò) 和 通 信 產(chǎn) 品 的 開 發(fā) 方 面 提 供 巨 大 的 潛 力 并 縮 短 開 發(fā) 周 期 ，江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專科論文加 速 產(chǎn) 品 的 上 市 。PowerPC核集成了 5 個(gè)執(zhí)行單元：整數(shù)單元(IU)、浮點(diǎn)單元(FPU)、分支處理單元(BPU)、轉(zhuǎn)載/存儲(chǔ)單元(LSU)、系統(tǒng)寄存器單元(SRU)。 浮點(diǎn)處理單元能執(zhí)行所有的單精度和大多數(shù)雙精度數(shù)的操作：1) 五個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行單元和兩個(gè)寄存器組可執(zhí)行單元有: 分支處理單元、整型處理單元、浮點(diǎn)處理單元、裝入/ 存儲(chǔ)處理單元和系統(tǒng)寄存器處 理單元。 在未知分支條件下, 可編江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專科論文程靜態(tài)分支情況預(yù)報(bào)。具有 16 k 字節(jié)數(shù)據(jù)和 16 k 字節(jié)指令的 cache 具有四個(gè)相連的頁(yè), cache 采用直接像法, 采用近期最少使用的替換算法。 系統(tǒng)組成及原理 該數(shù)據(jù)處理模塊主要由 CPU 、電源管理、SRAM、FLASH、SIO、TIMER、FPGA 、NET功能塊組成( 圖 22) 。33MHz 的時(shí)鐘由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 為了減小時(shí)鐘的漂移, 由專用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片分別為 Power PC603r 和 FPGA 等芯片提供時(shí)鐘。 電源的轉(zhuǎn)換由兩片可調(diào)的 LDO 分別實(shí)現(xiàn)+ 5 V 到33 V 和+ 5 V到 1 5 V 的轉(zhuǎn)換。（5） SIO功能塊SIO功能塊主要選用多規(guī)程串行控制器 8274 來(lái)實(shí)現(xiàn) 2 路 RS232 串行接口。 在本模塊中, 8274 的中斷方式采用非向量中 發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的TTL 電平與 RS232 電平的轉(zhuǎn)換由江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院?？普撐囊黄琈AX232 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 時(shí)鐘為 100 kHz, 16 位最大定 時(shí)為 655 36 ms, 24 位最大定時(shí)為 167 77215s。在該模塊中 OUT0、OUT1 定時(shí)器可作為操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助時(shí)鐘, 其它兩個(gè)定時(shí)器留給用戶使用。f. 實(shí)現(xiàn) 24 位定時(shí)器；g. 產(chǎn)生其它控制信號(hào)。提高系統(tǒng)性能的便捷性帶 Burst 傳輸功能的 32 或 64 位分離事務(wù)外部數(shù)據(jù)總線；支持一級(jí)地址流水和亂序總線事務(wù)。動(dòng)態(tài)功耗管理邏輯會(huì)自動(dòng)操縱時(shí)鐘再生器使處于空閑狀態(tài)的功能塊的時(shí)鐘關(guān)斷并 v 且禁止寄存器值的改變從而使平均功耗減少，試驗(yàn)表明使用動(dòng)態(tài)管理功耗設(shè)計(jì)的 603R能使其功耗減少 15％。中可以看出其時(shí)序關(guān)系。603R 的執(zhí)行單元是根據(jù)分配給某一單元的特定指令來(lái)“凍結(jié)”時(shí)鐘，比如系統(tǒng)寄存器(SRU)單元，SRU 只有一個(gè)單周期的執(zhí)行級(jí)但卻管理著許多的寄存器，只有當(dāng)該寄存器被修改時(shí)其時(shí)鐘才處于有效狀態(tài)，而此時(shí)該單元中其他寄存器的時(shí)鐘卻保持“凍結(jié)”狀態(tài)。(1) 數(shù)據(jù) CACHE 的動(dòng)態(tài)功耗管理對(duì)于所有的單拍或者“猝發(fā)”(burst)式讀存儲(chǔ)器，在等待不命中數(shù)據(jù)的情況下動(dòng)態(tài)功耗管理會(huì)“凍結(jié)”數(shù)據(jù)CACHE 所有的時(shí)鐘再生器。(2) 指令 CACHE 的動(dòng)態(tài)功耗管理對(duì)于指令 CACHE 來(lái)說(shuō)，所有的“猝發(fā)”式或者單拍讀存儲(chǔ)器，動(dòng)態(tài)功耗管理都會(huì)“凍結(jié)”其時(shí)鐘。然而當(dāng)時(shí)鐘處于凍結(jié)狀態(tài)下的時(shí)候可能出現(xiàn)系統(tǒng)寄存器單元讀寫 MMU，如果檢測(cè)到這種狀況動(dòng)態(tài)功耗管理單元就會(huì)釋放相應(yīng)“凍結(jié)”的時(shí)鐘直到下一個(gè)功耗節(jié)省狀態(tài)的出現(xiàn)。603R 這 3 種低功耗模式之間不能直接轉(zhuǎn)換而必須先進(jìn)入全功耗模式(內(nèi)部功能單元完全以處理器時(shí)鐘速度工作)再跳入其他低功耗模式。在該模式下外部異步中斷、系統(tǒng)管理異常事件、遞減異常事件、軟硬復(fù)位及其檢查都會(huì)使 603R 進(jìn)入完全供電。當(dāng) 603R 接收外部異步中斷、系統(tǒng)管理異常事件、遞減異常事件、軟硬復(fù)位或者機(jī)器檢查信號(hào)保持時(shí)回到完全供電狀態(tài)。PowerPC860SR 各方面性能包括適應(yīng)性、擴(kuò)展能力和集成度等都非常強(qiáng)。 PowerPC860SR 的組成 圖 31 是 PowerPC860SR 結(jié)構(gòu)圖。第二個(gè)主要的模塊為系統(tǒng)接口單元（SIU） 。主要包括：RISC 控制器、所有串行通道口支持連續(xù)接收和發(fā)送模式、5K 字節(jié)雙口 RAM、16 個(gè)串行 DMA (SDMA)通道、三個(gè)并行 I/O 寄存器、四個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器（可以連接到任意一個(gè) SCC 和 SMC，并允許運(yùn)行中改變，支持自動(dòng)波特率） ，四個(gè)串行通信控制器（SCC） （支持以太網(wǎng)、HDLC/SDLC、HDLC 總線） 、兩個(gè)串行管理控制器（SMC） （UART 方式或透明傳輸） 、一個(gè)串行外圍接口電路（SPI） （支持主從模式，支持同一總線上多主操作） 、一PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)17個(gè) I2C（InterIntegrated Circuit）接口（支持主從模式，支持多主環(huán)境） 。PowerPC 860SR 有兩個(gè) CPU：PowerPC 和 32 位 RISC。在存儲(chǔ)器區(qū)，每個(gè)通信設(shè)備都有一個(gè)發(fā)送 DMA 和接受 DMA，32 位 RISC控制這 16 個(gè)串行 DMA 在通信設(shè)備和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。TornadoII 就是為開發(fā) VxWorks 應(yīng)用系統(tǒng)提供的集成開發(fā)環(huán)境，TornadoII 中包含的工程管理軟件，可以將用戶自己的代碼與 VxWorks的核心有效的組合起來(lái)，可以按用戶的需要裁剪配置 VxWorks 內(nèi)核；vxSim 原型仿真器可以讓程序員不用目標(biāo)機(jī)的情況下，直接開發(fā)系統(tǒng)原型，作出系統(tǒng)評(píng)估；功能強(qiáng)大的 CrossWind 調(diào)試器可以提供任務(wù)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的調(diào)試模式，可以進(jìn)行多目標(biāo)機(jī)的聯(lián)調(diào)；優(yōu)化分析工具可以幫助程序員從多種方式真正地觀察、跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行，排除錯(cuò)誤，優(yōu)化性能。BSP 對(duì)各種板子的硬件功能提供了統(tǒng)一的接口，它包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)生和處理、硬件時(shí)鐘和計(jì)時(shí)器管理、局域和總線內(nèi)存地址映射、內(nèi)存分配等等。圖 41 BSP、硬件、應(yīng)用程序的層次關(guān)系2) 高性能的操作系統(tǒng)核心 windVxWorks 的核心，被稱作 wind，支持所有的實(shí)時(shí)特性，其設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)開銷，高效的任務(wù)管理保證了對(duì)外部事件快速、確定的反應(yīng)。4) 文件系統(tǒng)VxWorks 提供的快速文件系統(tǒng)適合于實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。VxWorks I/O 體系結(jié)構(gòu)甚至還支持在一個(gè)單獨(dú)的 VxWorks 系統(tǒng)上同時(shí)并存幾個(gè)不同的文件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理單元由主機(jī)、伺服、接口構(gòu)成。在伺服和接口模塊中都有 DPRAM 的共享端口掛在 VME 總線上，和主機(jī)共享 DPRAM 存儲(chǔ)器，通過(guò)內(nèi)部協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。復(fù)位電路包括：上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位、數(shù)據(jù)復(fù)位、PowerMBI 板復(fù)位。32MHz 時(shí)鐘經(jīng) CY7B991倍頻到 64MHz 后經(jīng) CY7C960 提供時(shí)鐘。譯碼電路：譯碼通過(guò) FPGA 實(shí)現(xiàn)。主機(jī)通過(guò)局部總線與從1，從 2 和 MBI 模塊互連，主機(jī)是局部總線的主設(shè)備，而從 1 和 MBI 僅僅是局部總線的設(shè)備 數(shù)據(jù)處理單元各模塊硬件構(gòu)成PowerMBI 模塊以 CPU PowerPC（MPC860）處理單元為中心，外加MILSTD1553B