嵌入式PowerPC處理器的發(fā)展概述

王樹(shù)爭(zhēng)

摘 要：本文概述了Freescale的PowerPC處理器的發(fā)展，按照PowerPC處理器產(chǎn)品出現(xiàn)的先后，以及在工業(yè)控制、航空、航天等應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)PowerPC處理器進(jìn)行了分類介紹。

關(guān)鍵詞：嵌入式處理器；PowerPC；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0013-02

1 概述

嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)日益廣闊，嵌入式處理器作為嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，得到廣泛應(yīng)用。PowerPC處理器在嵌入式處理器中占據(jù)重要地位，PowerPC處理器架構(gòu)的特點(diǎn)是方便靈活，可伸縮性好。PowerPC處理器種類很多，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、大型通信設(shè)備、高端的工作站、服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有應(yīng)用，應(yīng)用范圍極其廣泛。本文著重介紹PowerPC處理器的發(fā)展。

PowerPC處理器是指使用PowerPC指令集的處理器。PowerPC指令集為RISC指令集，它排除了CISC指令集處理器中采用的兩級(jí)微碼控制方式，而是在硬件中直接執(zhí)行一組精選的簡(jiǎn)單指令和優(yōu)化的編譯程序，以便有效的利用CPU資源來(lái)提高程序的運(yùn)行速度。PowerPC是Performance Optimized With Enhanced RISC-Performance Computing的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱PowerPC為PPC。PowerPC系列處理器的基本設(shè)計(jì)源自IBM公司的POWER架構(gòu)，但進(jìn)行了大量的改動(dòng)。例如，POWER系列是大尾段設(shè)計(jì)，而Power PC系列是open-endian設(shè)計(jì)；另外，Power PC提供更強(qiáng)的多線程處理能力和浮點(diǎn)處理能力?？傮w而言，Power PC和POWER的CPU并無(wú)太大的差別，Power PC保留了POWER的絕大部分指令，許多應(yīng)用程序只需重新編譯，就可以分別運(yùn)行在兩個(gè)平臺(tái)上。

IBM、AMCC、Freescale、LSI等公司的PowerPC處理器占主流地位。在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)reescale公司的PowerPC處理器占主導(dǎo)地位，尤其有E2V公司對(duì)擴(kuò)展溫度PowerPC的支持，在工控、通信、航空、航天國(guó)防等要求高可靠性和高性能的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 Freescale的PowerPC系列

Freescale公司成立于2004年，由Motorola公司分離處出來(lái)成立的公司，F(xiàn)reescale一直是處于全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，為規(guī)模龐大、增長(zhǎng)迅速的市場(chǎng)提供嵌入式處理產(chǎn)品和連接產(chǎn)品，主要為汽車、網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信、工業(yè)控制和國(guó)防等行業(yè)提供產(chǎn)品。Freescale在2015年被NXP公司收購(gòu)，PowerPC處理器在Freescale公司時(shí)期，得到迅速發(fā)展。目前PowerPC產(chǎn)品策略，定位于3個(gè)領(lǐng)域市場(chǎng)：汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工業(yè)控制。

2.1 PowerQUICC

PowerQUICC是Freescale公司幾個(gè)微處理器的電源架構(gòu)的名稱，是IBM的PowerPC和Freescale 的PowerPC的最重要的區(qū)別。PowerQUICC圍繞一個(gè)或多個(gè)PowerPC內(nèi)核和QUICC引擎，具有一個(gè)獨(dú)立的RISC核心，專門從事I/O通信、ATM、安全加速、網(wǎng)絡(luò)和USB等任務(wù)。PowerQUICC處理器廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)、汽車、工業(yè)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。在1993年，摩托羅拉生產(chǎn)了第一顆包含QUICC架構(gòu)的芯片MC68360。在1995年，MPC860芯片面市，標(biāo)志著通信處理器時(shí)代的開(kāi)始。MPC860芯片實(shí)現(xiàn)了作為數(shù)據(jù)處理中心的CPM和作為控制中心的PowerPC處理器的分離，采用了控制通路和數(shù)據(jù)通路分開(kāi)的思想。此后，基于PowerQUICC架構(gòu)的芯片也不斷升級(jí)發(fā)展，包括PowerQUICC I、PowerQUICC II、PowerQUICC III以及PowerQUICC II pro。

（1）603內(nèi)核系列。603內(nèi)核配合PowerQUICC I。603內(nèi)核系列PowerPC處理器為8xx系列產(chǎn)品，典型產(chǎn)品為MPC850、MPC860、MPC875、MPC885等。603內(nèi)核系列處理器無(wú)SDRAM接口，可將MPC860提供的UPM配置成SDRAM接口。（2）603E內(nèi)核系列。603E內(nèi)核配合PowerQUICC II。603內(nèi)核系列PowerPC處理器為82xx系列產(chǎn)品，典型產(chǎn)品為MPC8260、MPC8272等。由603發(fā)展而來(lái)的603E在PowerPC內(nèi)核上升級(jí)不大，主要增強(qiáng)了存儲(chǔ)器管理單元MMU。 603E內(nèi)核系列集成了SDRAM控制器。（3）E300內(nèi)核系列。E300內(nèi)核配合PowerQUICC II pro。E300內(nèi)核系列PowerPC處理器為83xx系列產(chǎn)品，典型的為MPC8349、MPC8360等。E300系列與603E系列在PowerPC處理器內(nèi)核上的修改不大，結(jié)構(gòu)基本一致。E300內(nèi)核系列支持DDR SDRAM接口。（4）E500內(nèi)核系列。E500內(nèi)核配合PowerQUICC III。E500內(nèi)核系列PowerPC處理器為85xx系列產(chǎn)品，典型產(chǎn)品為MPC8540、MPC8560、MPC8548等。E500內(nèi)核包含兩個(gè)版本V1 和V2，兩個(gè)版本內(nèi)核的最大區(qū)別仍在于MMU。E500內(nèi)核系列是高端處理器的發(fā)展方向。

2.2 HOST Processor

HOST Processor為主處理器，是一顆純處理器。該系列處理器處理速度快、性能高，主要應(yīng)用于高性能計(jì)算處理。HOST Processor產(chǎn)品包括早期的PowerPC 6XX系列和Power PC 7XX系列，以及后續(xù)Freescale公司的G4產(chǎn)品。HOST Processor理論上需要通過(guò)橋接器與外部設(shè)備進(jìn)行連接，生產(chǎn)PowerPC處理器橋接器廠家很多，常用的有：Marvell公司的Discovery系列，Tundra公司（現(xiàn)已由IDT公司收購(gòu)）的Tsi107和Tsi109。

（1）PowerPC 6XX系列。PowerPC 601是Power PC 600系列中的第一款，它的目標(biāo)是讓PowerPC架構(gòu)盡快地占領(lǐng)市場(chǎng)，其時(shí)鐘速度為80MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行2條指令。PowerPC 6XX系列下一個(gè)芯片是603，是低端、低功耗的處理器，大量使用在便攜機(jī)和汽車上。還有PowerPC 604，時(shí)鐘速度為100MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行4調(diào)指令，隨之的是“加強(qiáng)版”的603e和604e。（2）Power PC 7XX系列。在1998年，IBM推出了世界上第一組基于銅的微處理器Power PC740、PowerPC750，工作頻率達(dá)到400MHz。PowerPC750處理器是第一款銅導(dǎo)線處理器，實(shí)現(xiàn)了分開(kāi)的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。后續(xù)發(fā)布的32位的PowerPC750FX處理器，是第一款達(dá)到1GHz主頻的處理器，曾經(jīng)震驚業(yè)界。（3）Power PC E600內(nèi)核系列。Power PC E600內(nèi)核也稱為G4，典型的處理器產(chǎn)品包括MPC7410，MPC7447，MPC8641等。G4系列支持AltiVec結(jié)構(gòu)的向量處理技術(shù)，用于擴(kuò)充PowerPC體系結(jié)構(gòu)，AltiVec執(zhí)行單元擁有自身的寄存器文件，共有32個(gè)128位的寄存器。矢量的裝入和存儲(chǔ)會(huì)影響全部128位，每個(gè)AltVec指令具有3個(gè)源操作數(shù)和一個(gè)目的地。包含AltiVec架構(gòu)的處理器芯片，數(shù)據(jù)吞吐量更大，超過(guò)了Intel的MMX芯片。

2.3 Power QorIQ

QorIQ通信平臺(tái)是Freescale的 PowerQUICC通信處理器的下一代演進(jìn)產(chǎn)品。Power QorIQ系列有5個(gè)不同的產(chǎn)品系列。按照功能和性能劃分，由低端到高端分為P1，P2，P3，P4和P5。P系列內(nèi)核采用e500或e5500核心，軟件保持與以往的兼容。P1和P2系列基于e500v2內(nèi)核，P3和P4系列基于e500mc內(nèi)核，P5系列則基于e5500內(nèi)核。

（1）P1系列。P1系列主要用于以太網(wǎng)交換機(jī)、通用控制和無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)等。P1系列為e500V2內(nèi)核，P1系列屬于低端產(chǎn)品，主頻在400MHz～800MHz，用于替代PowerQUICC II Pro和PowerQUICC III平臺(tái)。典型處理器產(chǎn)品包括P1011和P1020。（2）P2系列。P2系列主要用于電信、網(wǎng)絡(luò)、軍工等。P2系列屬于中端產(chǎn)品，運(yùn)行在800MHz～1200MHz，用于替代PowerQUICC II Pro和PowerQUICC III平臺(tái)。P2系列處理器內(nèi)部集成了e500v2核，并集成了豐富的IO接口，如PCI-E，RapidIO，主頻可達(dá)1.5GHz，能運(yùn)行在-40～125°C，特別適合苛刻條件下的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防領(lǐng)域。典型處理器產(chǎn)品包括P2010和P2040。（3）P3系列。P3系列主要用于交換機(jī)和路由器。P3系列提供了多核平臺(tái)，每個(gè)內(nèi)核主頻達(dá)到1.5GHz。P3系列集成了1.3GHz的64-bit DDR3 SDRAM控制器，數(shù)量達(dá)到18個(gè)的SerDes lanes，以及RapidIO的硬件加速器。P3系列的典型產(chǎn)品為P3041。（4）P4系列。P4系列主要用于核心網(wǎng)、路由器、企業(yè)級(jí)交換機(jī)，屬于高端產(chǎn)品。支持8個(gè)e500mc核心，每個(gè)核主頻達(dá)到1.5GHz。P4系列的典型產(chǎn)品為P4080，包含了8個(gè)e500mc內(nèi)核。（5）P5系列。P5系列主要面向高性能應(yīng)用，內(nèi)核采用高性能的e5500核心，e5500為64bit，頻率可達(dá)2.5GHz。P5系列典型產(chǎn)品為P5010、P5020和P5040。P5010包含1個(gè)e5500內(nèi)核，P5020包含2個(gè)e5500核心，主頻都為2.0GHz。P5040包含4個(gè)e5500核心，主頻為2.2GHz，性能高達(dá)3.0 DMIPS/Hz。

2.4 QorIQ AMP系列

T系列為PowerPC目前最高端的處理器，主要應(yīng)用于高性能、小規(guī)格、高能效網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。T系列產(chǎn)品包含T1系列，T2系列和T4系列產(chǎn)品。

（1）T1系列。T1系列采用e5500內(nèi)核，主要應(yīng)用于低成本、高性能領(lǐng)域。E5500內(nèi)核主頻可達(dá)1.5GHz，T1系列包含單核、雙核和4核產(chǎn)品，典型功耗為3W～6W，集成以太網(wǎng)交換、DDR3/4存儲(chǔ)器接口等。T1系列典型產(chǎn)品為T1014、T1020、T1040等。（2）T2系列。T2系列采用e6500內(nèi)核，主要應(yīng)用于成本和性能兼顧的領(lǐng)域。e6500內(nèi)核為雙線程，集成AltiVec技術(shù)向量處理單元，主頻可達(dá)1.8GHz，T2系列產(chǎn)品都為雙核，典型功耗約為13W。T2系列典型產(chǎn)品為T2080、T2081。（3）T4系列。T4系列采用e6500內(nèi)核，主要應(yīng)用于高性能領(lǐng)域。T4系列主頻為1.5～1.8GHz，T4080集成4個(gè)e6500內(nèi)核，典型功耗為20W；T4240更是集成了12個(gè)e6500內(nèi)核，可達(dá)24個(gè)線程，典型功耗為36W。T4系列典型產(chǎn)品為T4080、T4240。

3 結(jié)語(yǔ)

PowerPC以極具吸引力的性價(jià)比、擴(kuò)大的運(yùn)行溫度范圍、多處理功能、高集成度等優(yōu)勢(shì)，為嵌入式應(yīng)用中提出了全面解決方案。系列化的產(chǎn)品可滿足不同需求的各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的廣泛應(yīng)用。未來(lái)四五年內(nèi)，在嵌入式產(chǎn)品中，PowerPC的應(yīng)用面和市場(chǎng)場(chǎng)占有率會(huì)有一個(gè)增加的變化。