【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 目 標 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 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 到 單 芯 片 300 萬 個 。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。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。讓我們來分別看一下這三類寄存器。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。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。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。在這些衍生的體系結(jié)構(gòu)中還有一些適當?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。當前，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)。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。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。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?？普撐膿?jù)存儲到內(nèi)存） 。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。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、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。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。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 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)分為三個級別（或者說是“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、特權(quán)計時器訪問的函數(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。PowerPC 應(yīng)用程序編程模型當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。所有存儲都可以字節(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，所有實現(xiàn)都有 32 個 GPR（從 GPR0 到 GPR31） 。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） 。對 FPSCR 的訪問要通過 FPR。1998 年 ， 銅 芯 片 問 世 ， 開 創(chuàng) 了 一 個 新 的 歷 史 紀 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 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 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 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?？普撐募?速 產(chǎn) 品 的 上 市 。PowerPC核集成了 5 個執(zhí)行單元：整數(shù)單元(IU)、浮點單元(FPU)、分支處理單元(BPU)、轉(zhuǎn)載/存儲單元(LSU)、系統(tǒng)寄存器單元(SRU)。 浮點處理單元能執(zhí)行所有的單精度和大多數(shù)雙精度數(shù)的操作：1) 五個獨立的可執(zhí)行單元和兩個寄存器組可執(zhí)行單元有: 分支處理單元、整型處理單元、浮點處理單元、裝入/ 存儲處理單元和系統(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?？普撐某天o態(tài)分支情況預(yù)報。具有 16 k 字節(jié)數(shù)據(jù)和 16 k 字節(jié)指令的 cache 具有四個相連的頁, 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 的時鐘由時鐘驅(qū)動電路進行驅(qū)動, 為了減小時鐘的漂移, 由專用時鐘驅(qū)動芯片分別為 Power PC603r 和 FPGA 等芯片提供時鐘。 電源的轉(zhuǎn)換由兩片可調(diào)的 LDO 分別實現(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 來實現(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)院專科論文一片MAX232 來實現(xiàn)。 時鐘為 100 kHz, 16 位最大定 時為 655 36 ms, 24 位最大定時為 167 77215s。在該模塊中 OUT0、OUT1 定時器可作為操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)時鐘和輔助時鐘, 其它兩個定時器留給用戶使用。f. 實現(xiàn) 24 位定時器；g. 產(chǎn)生其它控制信號。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；支持一級地址流水和亂序總線事務(wù)。動態(tài)功耗管理邏輯會自動操縱時鐘再生器使處于空閑狀態(tài)的功能塊的時鐘關(guān)斷并 v 且禁止寄存器值的改變從而使平均功耗減少，試驗表明使用動態(tài)管理功耗設(shè)計的 603R能使其功耗減少 15％。中可以看出其時序關(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“凍結(jié)”時鐘，比如系統(tǒng)寄存器(SRU)單元，SRU 只有一個單周期的執(zhí)行級但卻管理著許多的寄存器，只有當該寄存器被修改時其時鐘才處于有效狀態(tài)，而此時該單元中其他寄存器的時鐘卻保持“凍結(jié)”狀態(tài)。(1) 數(shù)據(jù) CACHE 的動態(tài)功耗管理對于所有的單拍或者“猝發(fā)”(burst)式讀存儲器，在等待不命中數(shù)據(jù)的情況下動態(tài)功耗管理會“凍結(jié)”數(shù)據(jù)CACHE 所有的時鐘再生器。(2) 指令 CACHE 的動態(tài)功耗管理對于指令 CACHE 來說，所有的“猝發(fā)”式或者單拍讀存儲器，動態(tài)功耗管理都會“凍結(jié)”其時鐘。然而當時鐘處于凍結(jié)狀態(tài)下的時候可能出現(xiàn)系統(tǒng)寄存器單元讀寫 MMU，如果檢測到這種狀況動態(tài)功耗管理單元就會釋放相應(yīng)“凍結(jié)”的時鐘直到下一個功耗節(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)換而必須先進入全功耗模式(內(nèi)部功能單元完全以處理器時鐘速度工作)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)位及其檢查都會使 603R 進入完全供電。當 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)位或者機器檢查信號保持時回到完全供電狀態(tài)。PowerPC860SR 各方面性能包括適應(yīng)性、擴展能力和集成度等都非常強。 PowerPC860SR 的組成 圖 31 是 PowerPC860SR 結(jié)構(gòu)圖。第二個主要的模塊為系統(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 個串行 DMA (SDMA)通道、三個并行 I/O 寄存器、四個獨立的波特率發(fā)生器（可以連接到任意一個 SCC 和 SMC，并允許運行中改變，支持自動波特率） ，四個串行通信控制器（SCC） （支持以太網(wǎng)、HDLC/SDLC、HDLC 總線） 、兩個串行管理控制器（SMC） （UART 方式或透明傳輸） 、一個串行外圍接口電路（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17個 I2C（InterIntegrated Circuit）接口（支持主從模式，支持多主環(huán)境） 。PowerPC 860SR 有兩個 CPU：PowerPC 和 32 位 RISC。在存儲器區(qū)，每個通信設(shè)備都有一個發(fā)送 DMA 和接受 DMA，32 位 RISC控制這 16 個串行 DMA 在通信設(shè)備和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(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，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機的情況下，直接開發(fā)系統(tǒng)原型，作出系統(tǒng)評估；功能強大的 CrossWind 調(diào)試器可以提供任務(wù)級和系統(tǒng)級的調(diào)試模式，可以進行多目標機的聯(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)的運行，排除錯誤，優(yōu)化性能。BSP 對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、硬件時鐘和計時器管理、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，支持所有的實時特性，其設(shè)計減少了系統(tǒng)開銷，高效的任務(wù)管理保證了對外部事件快速、確定的反應(yīng)。4) 文件系統(tǒng)VxWorks 提供的快速文件系統(tǒng)適合于實時系統(tǒng)應(yīng)用。VxWorks I/O 體系結(jié)構(gòu)甚至還支持在一個單獨的 VxWorks 系統(tǒng)上同時并存幾個不同的文件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理單元由主機、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，和主機共享 DPRAM 存儲器，通過內(nèi)部協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。復(fù)位電路包括：上電復(fù)位、手動復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位、數(shù)據(jù)復(fù)位、PowerMBI 板復(fù)位。32MHz 時鐘經(jīng) CY7B991倍頻到 64MHz 后經(jīng) CY7C960 提供時鐘。譯碼電路：譯碼通過 FPGA 實現(xiàn)。主機通過局部總線與從1，從 2 和 MBI 模塊互連，主機是局部總線的主設(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