嵌入式阵列处理器的发展
王树争
摘 要：本文概述了Freescale的PowerPC处理器的发展，按照PowerPC处理器产品出现的先后，以及在工业控制、航空、航天等应用领域的应用，对PowerPC处理器进行了分类介绍。
关键词：嵌入式处理器；PowerPC；嵌入式系统
中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0013-02
1 概述
嵌入式系统的市场日益广阔，嵌入式处理器作为嵌入式系统的关键部件，得到广泛应用。PowerPC处理器在嵌入式处理器中占据重要地位，PowerPC处理器架构的特点是方便灵活，可伸缩性好。PowerPC处理器种类很多，在消费类电子产品、大型通信设备、高端的工作站、服务器、桌面计算机系统都有应用，应用范围极其广泛。本文着重介绍PowerPC处理器的发展。
PowerPC处理器是指使用PowerPC指令集的处理器。PowerPC指令集为RISC指令集，它排除了CISC指令集处理器中采用的两级微码控制方式，而是在硬件中直接执行一组精选的简单指令和优化的编译程序，以便有效的利用CPU资源来提高程序的运行速度。PowerPC是Performance Optimized With Enhanced RISC-Performance Computing的缩写，简称PowerPC为PPC。PowerPC系列处理器的基本设计源自IBM公司的POWER架构，但进行了大量的改动。例如，POWER系列是大尾段设计，而Power PC系列是open-endian设计；另外，Power PC提供更强的多线程处理能力和浮点处理能力。总体而言，Power PC和POWER的CPU并无太大的差别，Power PC保留了POWER的绝大部分指令，许多应用程序只需重新编译，就可以分别运行在两个平台上。
IBM、AMCC、Freescale、LSI等公司的PowerPC处理器占主流地位。在嵌入式领域，Freescale公司的PowerPC处理器占主导地位，尤其有E2V公司对扩展温度PowerPC的支持，在工控、通信、航空、航天国防等要求高可靠性和高性能的领域得到广泛应用。
2 Freescale的PowerPC系列
Freescale公司成立于2004年，由Motorola公司分离处出来成立的公司，Freescale一直是处于全球领先的半导体公司，为规模庞大、增长迅速的市场提供嵌入式处理产品和连接产品，主要为汽车、网络、无线通信、工业控制和国防等行业提供产品。Freescale在2015年被NXP公司收购，PowerPC处理器在Freescale公司时期，得到迅速发展。目前PowerPC产品策略，定位于3个领域市场：汽车电子、网络设备和工业控制。
2.1 PowerQUICC
PowerQUICC是Freescale公司几个微处理器的电源架构的名称，是IBM的PowerPC和Freescale 的PowerPC的最重要的区别。PowerQUICC围绕一个或多个PowerPC内核和QUICC引擎，具有一个独立的RISC核心，专门从事I/O通信、ATM、安全加速、网络和USB等任务。PowerQUICC处理器广泛应用于网络、汽车、工业、消费类电子产品中。在1993年，摩托罗拉生产了第一颗包含QUICC架构的芯片MC68360。在1995年，MPC860芯片面市，标志着通信处理器时代的开始。MPC860芯片实现了作为数据处理中心的CPM和作为控制中心的PowerPC处理器的分离，采用了控制通路和数据通路分开的思想。此后，基于PowerQUICC架构的芯片也不断升级发展，包括PowerQUICC I、PowerQUICC II、PowerQUICC III以及PowerQUICC II pro。
（1）603内核系列。603内核配合PowerQUICC I。603内核系列PowerPC处理器为8xx系列产品，典型产品为MPC850、MPC860、MPC875、MPC885等。603内核系列处理器无SDRAM接口，可将MPC860提供的UPM配置成SDRAM接口。（2）603E内核系列。603E内核配合PowerQUICC II。603内核系列PowerPC处理器为82xx系列产品，典型产品为MPC8260、MPC8272等。由603发展而来的603E在PowerPC内核上升级不大，主要增强了存储器管理单元MMU。 603E内核系列集成了SDRAM控制器。（3）E300内核系列。E300内核配合PowerQUICC II pro。E300内核系列PowerPC处理器为83xx系列产品，典型的为MPC8349、MPC8360等。E300系列与603E系列在PowerPC处理器内核上的修改不大，结构基本一致。E300内核系列支持DDR SDRAM接口。（4）E500内核系列。E500内核配合PowerQUICC III。E500内核系列PowerPC处理器为85xx系列产品，典型产品为MPC8540、MPC8560、MPC8548等。E500内核包含两个版本V1 和V2，两个版本内核的最大区别仍在于MMU。E500内核系列是高端處理器的发展方向。
2.2 HOST Processor
HOST Processor为主处理器，是一颗纯处理器。该系列处理器处理速度快、性能高，主要应用于高性能计算处理。HOST Processor产品包括早期的PowerPC 6XX系列和Power PC 7XX系列，以及后续Freescale公司的G4产品。HOST Processor理论上需要通过桥接器与外部设备进行连接，生产PowerPC处理器桥接器厂家很多，常用的有：Marvell公司的Discovery系列，Tundra公司（现已由IDT公司收购）的Tsi107和Tsi109。
（1）PowerPC 6XX系列。PowerPC 601是Power PC 600系列中的第一款，它的目标是让PowerPC架构尽快地占领市场，其时钟速度为80MHz，每个时钟周期执行2条指令。PowerPC 6XX系列下一个芯片是603，是低端、低功耗的处理器，大量使用在便携机和汽车上。还有PowerPC 604，时钟速度为100MHz，每个时钟周期执行4调指令，随之的是“加强版”的603e和604e。（2）Power PC 7XX系列。在1998年，IBM推出了世界上第一组基于铜的微处理器Power PC740、PowerPC750，工作频率达到400MHz。PowerPC750处理器是第一款铜导线处理器，实现了分开的指令Cache和数据Cache。后续发布的32位的PowerPC750FX处理器，是第一款达到1GHz主频的处理器，曾经震惊业界。（3）Power PC E600内核系列。Power PC E600内核也称为G4，典型的处理器产品包括MPC7410，MPC7447，MPC8641等。G4系列支持AltiVec结构的向量处理技术，用于扩充PowerPC体系结构，AltiVec执行单元拥有自身的寄存器文件，共有32个128位的寄存器。矢量的装入和存储会影响全部128位，每个AltVec指令具有3个源操作数和一个目的地。包含AltiVec架构的处理器芯片，数据吞吐量更大，超过了Intel的MMX芯片。
2.3 Power QorIQ
QorIQ通信平台是Freescale的 PowerQUICC通信处理器的下一代演进产品。Power QorIQ系列有5个不同的产品系列。按照功能和性能划分，由低端到高端分为P1，P2，P3，P4和P5。P系列内核采用e500或e5500核心，软件保持与以往的兼容。P1和P2系列基于e500v2内核，P3和P4系列基于e500mc内核，P5系列则基于e5500内核。
（1）P1系列。P1系列主要用于以太网交换机、通用控制和无线局域网接入点等。P1系列为e500V2内核，P1系列属于低端产品，主频在400MHz～800MHz，用于替代PowerQUICC II Pro和PowerQUICC III平台。典型处理器产品包括P1011和P1020。（2）P2系列。P2系列主要用于電信、网络、军工等。P2系列属于中端产品，运行在800MHz～1200MHz，用于替代PowerQUICC II Pro和PowerQUICC III平台。P2系列处理器内部集成了e500v2核，并集成了丰富的IO接口，如PCI-E，RapidIO，主频可达1.5GHz，能运行在-40～125°C，特别适合苛刻条件下的应用，广泛应用于航空、航天、国防领域。典型处理器产品包括P2010和P2040。（3）P3系列。P3系列主要用于交换机和路由器。P3系列提供了多核平台，每个内核主频达到1.5GHz。P3系列集成了1.3GHz的64-bit DDR3 SDRAM控制器，数量达到18个的SerDes lanes，以及RapidIO的硬件加速器。P3系列的典型产品为P3041。（4）P4系列。P4系列主要用于核心网、路由器、企业级交换机，属于高端产品。支持8个e500mc核心，每个核主频达到1.5GHz。P4系列的典型产品为P4080，包含了8个e500mc内核。（5）P5系列。P5系列主要面向高性能应用，内核采用高性能的e5500核心，e5500为64bit，频率可达2.5GHz。P5系列典型产品为P5010、P5020和P5040。P5010包含1个e5500内核，P5020包含2个e5500核心，主频都为2.0GHz。P5040包含4个e5500核心，主频为2.2GHz，性能高达3.0 DMIPS/Hz。
2.4 QorIQ AMP系列
T系列为PowerPC目前最高端的处理器，主要应用于高性能、小规格、高能效网络和工业应用领域。T系列产品包含T1系列，T2系列和T4系列产品。
（1）T1系列。T1系列采用e5500内核，主要应用于低成本、高性能领域。E5500内核主频可达1.5GHz，T1系列包含单核、双核和4核产品，典型功耗为3W～6W，集成以太网交换、DDR3/4存储器接口等。T1系列典型产品为T1014、T1020、T1040等。（2）T2系列。T2系列采用e6500内核，主要应用于成本和性能兼顾的领域。e6500内核为双线程，集成AltiVec技术向量处理单元，主频可达1.8GHz，T2系列产品都为双核，典型功耗约为13W。T2系列典型产品为T2080、T2081。（3）T4系列。T4系列采用e6500内核，主要应用于高性能领域。T4系列主频为1.5～1.8GHz，T4080集成4个e6500内核，典型功耗为20W；T4240更是集成了12个e6500内核，可达24个线程，典型功耗为36W。T4系列典型产品为T4080、T4240。
3 结语
PowerPC以极具吸引力的性价比、扩大的运行温度范围、多处理功能、高集成度等优势，为嵌入式应用中提出了全面解决方案。系列化的产品可满足不同需求的各个领域，在国内外知名企业的广泛应用。未来四五年内，在嵌入式产品中，PowerPC的应用面和市场场占有率会有一个增加的变化。
