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powerpc的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計—計算機(jī)信息管理畢業(yè)設(shè)計論文-文庫吧資料

2024-08-19 05:17本頁面
  

【正文】 公司于 1983 年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS) ,是 Tornado 嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。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)。由于 RISC CPU 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)體系結(jié)構(gòu)的處理器。PowerPC 860SR 有兩個 CPU:PowerPC 和 32 位 RISC。SCC 和 SMC 也可以用于時分復(fù)用總線。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(yùn)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) 。它的一個主要功能是提供內(nèi)部總線和外部總線的接口。第二個主要的模塊為系統(tǒng)接口單元(SIU) 。江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院??普撐膱D 31 PowerPC860SR 結(jié)構(gòu)圖PowerPC 核是主要的處理單元,通常稱為 Embedded PowerPC 核心(或 EPPC) 。 PowerPC860SR 的組成 圖 31 是 PowerPC860SR 結(jié)構(gòu)圖。它的外圍接口很豐富,可以適應(yīng)各種情況的應(yīng)用。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)。第三章 PowerPC860SR 處理器 PowerPC860SR 的功能 PowerPC860SR 是當(dāng)今比較流行、性能相當(dāng)優(yōu)越的單片集成嵌入式微處理器。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)器檢查信號保持時回到完全供電狀態(tài)?;杷J?NAP):在昏睡模式下只有時間基數(shù)寄存器和 PLL(鎖相環(huán))處于加電狀態(tài),在該模式下 CACHE 的一致性不能夠被維持,所以在該狀態(tài)下如果要改變存儲器系統(tǒng)程序,在進(jìn)入昏睡模式之前就必須刷新數(shù)據(jù)CACHE。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(jìn)入完全供電。如果在瞌睡模式下出現(xiàn)探測命中就會出現(xiàn)必要的 CACHE 更新和探測寫回總線操作。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鐘速度工作)再跳入其他低功耗模式。603R 提供 3 種靜態(tài)功耗管理模式:瞌睡(DOZE)、昏睡(NAP)和沉睡(SLEEP),這 3 種模式通過設(shè)置機(jī)器狀態(tài)寄存器(MSR)和硬件實現(xiàn)寄存器 0(HID0)中的位來編程控制。然而當(dāng)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)。(3) MMU 的動態(tài)功耗管理對于任何的“猝發(fā)”或者單拍讀操作,指令和江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專科論文數(shù)據(jù) MMU 的時鐘都被“凍結(jié)”。(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。對于“猝發(fā)”讀出數(shù)據(jù)的每一拍來講時鐘都被自動置于“使能”(enabled)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。CACHE 和 MMU 的動態(tài)功耗管理 603R 的模塊化 CACHE 確保當(dāng)CACHE 不命中出現(xiàn)時所有其他的讀寫操作都被延遲直到不命中的數(shù)據(jù)由內(nèi)存返回。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(dāng)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)。根據(jù)已經(jīng)存在的指令分派和執(zhí)行的邏輯對動態(tài)功耗管理進(jìn)行控制,其中主要是通過基于流水線級或分配到某一單元特定指令的時鐘“凍結(jié)”分布邏輯進(jìn)行動態(tài)功耗管理。中可以看出其時序關(guān)系。該時鐘電路的 3 個輸出分別是主鎖存時鐘C1,從鎖存時鐘 C2 和掃描端口時鐘 ACLK。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%。PowerPC603R 每周期可以發(fā)出 3 條指令,執(zhí) 行 5 條指令,多數(shù)指令屬于單周期執(zhí)行,所有的單精度浮點操作、多數(shù)雙精度浮點操作都采用流水線方式體現(xiàn)其高性能、超標(biāo)量的特點;PowerPC603R 具有 5 個獨立的流水線執(zhí)行單元(分支處理單元、整型單元、浮點單元、讀出/寫入單元和系統(tǒng)寄存器單元)和 2 個寄存器文件(32 個 64 b GPRS 和 32 個 64 b FPRS).PowerPC603R 具有強(qiáng)大的指令和數(shù)據(jù)處理能力,采用分開的 16 k 四路組相連的數(shù)據(jù) CACHE 和指令 CACHE 使得數(shù)據(jù)訪問和指令的提取可以出現(xiàn)在同一周期之中,取指令單元每周期可以從 CACHE 取 2 條指令,指令隊列可以存放 6 條指令,對于未解決的條件轉(zhuǎn)移進(jìn)行可編程靜態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測而且采用可編程寫回(writeback)和寫透(wirtethrough)策略,PowerPC603R 具有 52 b 虛擬地址和 32 b 物理地址,地址轉(zhuǎn)換具有 4 k的頁空間、不同的塊的大小和 256 M 的段空間,在 PowerPC603R 中采用一個 64 組兩路組相連 ITLB 和 DTLB,而且通過快速捕獲裝置支持軟件江南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專科論文表格查找操作和更新;在提高系統(tǒng)性能方面 PowerPC603R 具有一個帶“猝發(fā)”(burst)轉(zhuǎn)換的 32 或 64b 的分批處理外部數(shù)據(jù)總線而且支持一級地址流水和亂序的處理;在內(nèi)置電源管理方面 PowerPC603R 采用3.3 V 的低比,PowerPC603R 具有 3 種節(jié)電模式(DOZE/NAP/SLEEP)。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)。5 個獨立的執(zhí)行單元和 2 個PowerPC 的嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計11寄存器堆進(jìn)行靜態(tài)分支預(yù)測的 BPU;32 位的 IU;進(jìn)行單、雙精度操作,與 IEEE 754 全兼容的 FPU;在數(shù)據(jù) Cache 和通用寄存器(GPR)、浮點寄存器(FPR)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LSU;執(zhí)行條件寄存器(CR)、專用寄存器(SPR)和整數(shù)加法和比較指令的 SRU;32 個裝載整型操作數(shù)的GPR;32 個裝載單、雙精度操作數(shù)的 FPR.。f. 實現(xiàn) 24 位定時器;g. 產(chǎn)生其它控制信號。 來自 Multibus 上的手動復(fù)位信號( MHRST ) 、JTAG 上的復(fù)位信號 ( JHRST ) 和上電復(fù)位合成 MAX706 的復(fù)位輸入, CPU 的復(fù)位信號由以上復(fù)位信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算而產(chǎn) 生。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。 82C54 的 3 個定時器輸出使能信號由 FPGA 中相應(yīng)的控制寄存器控制. 。 時鐘為 100 kHz, 16 位最大定 時為 655 36 ms, 24 位最大定時為 167 77215s。(6) TIMER功能塊TIMER 功能塊具有 4 路定時/ 計數(shù)器, 其中有 3 路 16 位定時/ 計數(shù)器, 一路 24 位定時器。 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 來實現(xiàn)。 8274 的發(fā)送時鐘和接收時鐘為 1 8432MHz, 由FPGA 對3 6864MHz 作 2 分頻得來。(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。(4) FLASH功能塊該模塊的 FLASH 存儲器的數(shù)據(jù)寬度為 32 位, 總?cè)萘繛?8Mbytes。 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。 數(shù)據(jù)處理模塊外部輸入單一的+ 5 V 直流電源, 然而處理器及FPGA 需要+ 3 3 V 和+ 1 5 V 的電源。33MHz 的時鐘由時鐘驅(qū)動電路進(jìn)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。圖 22 系統(tǒng)組成框圖(1) CPU 功能塊CPU 功能塊包括處理器和時鐘電路。 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) 。 52 位虛擬地址, 32 位物理地址。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。 具有六條指令輸入的指令隊列。 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。 一個用于單精度或雙精度數(shù)操 作的浮點數(shù)寄存器組, 其包含 32 個寄存器。 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。 每個時鐘周期最多執(zhí)行 5 條指令。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)。主機(jī)和伺服模塊需要進(jìn)行浮點數(shù)處理,從而選用了PowerPC603R,而接口模塊主要實現(xiàn)一些接口和控制等通訊功能,從而選用了定點處理器 PowerPC860SR。 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 。 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 。 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 。 高 速 的 嵌 入 式 PowerPC 內(nèi) 核 ,連 同 極 高 的 網(wǎng) 絡(luò) 和 通 信 外 圍 設(shè) 的 集 成 通 信 微 處 理 器 。 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) 。 高 集 成 度 的 結(jié) 果 是 簡化 了 電 路 板 的 設(shè) 計 , 降 低 了 功 耗 和 加 快 了 開 發(fā) 調(diào) 試 時 間 。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 。 8360 的 在 網(wǎng) 絡(luò) 和 數(shù) 據(jù) 通 信 領(lǐng) 域 的 新 一 代 產(chǎn) 品 , 提 高了 器 件 運(yùn) 行 的 各 方 面 性 能 , 包 括 器 件 的 適 應(yīng) 性 、 擴(kuò) 展 能 力 一 個 處 理 塊是 嵌 入 的 PowerPC 核 , 另 一 個 是 通 信 處 理 模 塊 ( CPM) , 與 MC68360的 CPM 基 本 類 似 。 PowerQUICC 可 以 被 稱 為MC6 和 集 成 度 等 。 銅 技術(shù) 取 代 了 已 經(jīng) 沿 用 了 30 年 的 鋁 技 術(shù) , 使 硅 芯 片 多 CPU 的 生 產(chǎn) 工 藝 達(dá)到 了 微 米 的 水 平 , 單 芯 片 集 成 2 億 個 晶 體 管 , 大 大 提 高 了 運(yùn) 算性 能 。1998 年 , 銅 芯 片 問 世 , 開 創(chuàng) 了 一 個 新 的 歷 史 紀(jì) 元 。PowerPC 架 構(gòu) 的 特 點 是 可 伸 縮 性 好 、 方 便 靈 活 。對 FPSCR 的訪問要通過 FPR。FPR 還提供對 FPSCR 的訪問。浮點寄存器(FPR)Bo
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