（计算机软件与理论专业论文）嵌入式处理器研究与实践.pdf

接要 随箫计算机技术的发展殷其应用要求的提商，嵌入斌系统穗由袄缀 嵌入淘芯片缀嵌入( 泞上系统s 0 c ) 过凌。这是霆必肄上系统豹应用壤 镬褥系绕豹臻糕变缀更低，体蔽交愿鼹小，嗣对系绞电踌投也将变褥更 加的简洁。具体来说就是电路设计的最终绪果与坤功能模块和固稗特 性有关，而菇p c b 板( 印掰奄路袄) 电路分块靛方式鞫连线技术纂本 无关，谶而後褥系统的电磁兼容经帮胃靠性褥到了极大靛摄舞，瞧将毽 系缝设计更接邋理想设计耳标。 当藏，配踅性已经成为嵌入式系统发展方向之一，这是国子可配嚣 处理器其有疆商的灵活性，聪能满愚入们对技术适威性的要求。可戬说： 镘蹙灌器+ 褥缡程逻辑碧薷露缎威必霹配嚣性系统设诗约蘩磁思路。 零文在黠懿理嚣癸棱源代璐分掇熬基獭上，对爵配置技避萼亍了深入 的研究；采用了“m 核+ f p g a ”方棠，在歼放的硝核源代码的基础上 进行了二次湃菠，设计了具肖爵配冀畿力懿处理器群发叛，实现了部分 功能盼芯芹缴嵌入；最后，遄避 鼗y ，s t 鑫l 渤砖簿稷_ 旁验证了憝疆器 浆功能；此步 逐茂攀介绍了软传的辩发环境。 本文深入磷究了可配置处理器，通过二次歼发稀应用，把撵了可配 置处理器的体系结构和设计思想；并且为可配麓处壤器包的开发，配甏 了硬件繇境；弱嚣季瞧麓实溪胃熬置篾上系绞豹遴一步磷究，提供了薅镂 签懿关键技术；扶瑟为基于s 嫩v 8 体系缝秘戆处溪器的虚羯打下了 良好婀基础。 关镳词：计鞯褫技术冀上幕统瓣醚鼍l p 核残搿 鞘 r 0 ￥8 蔗 b s t r a c t w i mt e c h n o l o g 警o f m 群e rd 融蜷l o p 薹n 懿l 烈以妇eo x 啦虹圭至冁o f 谯e a p p l i e d 喇t l e 瓯t h c e l n b e d d e ds y s t 。m i s 赫a d y i n t os y s t e m o c h i p ( s o c ) 蠹o r ns y 蛙燃娃。拄b o 毫越。善b 嚣晷p 蛰l 童c 蕊。髓o fs o c 氆a 鲰嚣聩撩舔带l i e dg y s 耄瑚麓 e i r c u i tb o a f db e c o 扫& em 毽c hm o 重ec o m 删o n ，鞭溺u o e 氆ev o l u l l 站o f 乏醅 s y s t e ma n d 也ep o w e r b e 姻u s et l l ef i n a l 糟s u l tt 1 1 a te l e c 订i cc i r c l l i td e s i 鼙阻 r e s t s 诹也撙釉砝i 傩拄焱娃e 鑫珏d 惫礅w a 辖豳勰略麟蛾e 妇钯艇 f n b l a y o t 璁也ee m c 姐d 也ef e l i a 挺l i 睁默e 咖诚，i tm 呔e st 躯s y s 绝魅 d e s i l 皿e v e nn e a r st o 也ei d e a l 切罐e t ，b ec o n f ig l j r a b l ei so n eo fi i i | 懈c t i o n s 攮a le m b e d 如ds y s t e m 粼l o 畦鼯c o 琏鳓| es y 黥撇g e 糖糠l yi sd e s i 驴e d 黝j o 硒n 鐾畦l ei d e ao f m i c r o 狮e c s s o r +p l d ”蕺o 张 1 啊e 戳0 j e 啦a d o p t i 耐m e “i pc o r e + f p g a 粕dd e s i 阱e dab o a 埘训t h e 碰i g 蝴献e 点a 球e 妇主娥eb 舔醚呈珏o p 蹴s 臻e 醴e p u 狰c a 托，赫茈s i 辨 i sb a s i ch 瓤d w 激e 垂b fc o 珏矗鄹姐b l em i c f o 辫叼i c 嚣s o r 弘馘基嚣嚣，撼瞧es 越毽el i 掰鸯 i t s 氆ea n t c c e d 锄c eo fm i c m 口帅c e s s o rd e v e l o 洳盛b a do ns 驰砒v 8 a r c h i l e c 抛f 。，霹持f 眩h 髅豫d yi s 趱8 妇。簸e 溅鑫群瞒b l e 矗甜矗赡e r i s 重主c 。a tl a 艇 t 量姓d u 西t 酝m 臻sa n dd m p sa 融d m 臻s 粥g 阚 n l l l i c 瓣脚c e s s 娌转 t e s t e d 酗y 妁r 畦霉：钕歉o l o 拶a d f 糙弹| e r s o cc o 蛹群糟l pe o 聆 s p a 譬c v 8 毫 1 1 嵌入式系统 第一章绪论 在计算机技术和产品对其宦行业进行全面渗透的大趋势下，嵌入 茂系统挥舞i t 产监赣瓣起豹一令崭錾分支，正在全球藏藿痰懑猛发聂。 它的出现是微处理器技术、超大规模集成电路v l s i 投术、网络通信技 术、嵌入式软件技术相结合的产物。嵌入式系统把全球最新科技产业成 果带入社会生产生活翡各个领域，秀各行韭产繇挺供其有行盈个毪往特 点的智能平台，为高科技在生活中的实用化建超了“应用”的桥梁。嵌 入式技术已成必通信鼹消费类产品的共同发展穷囱。嵌入式系统几乎包 括了奎活中的所有电器设备，如掌上p 激( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) 、移动计算设备、电视机顶窳、手机上网、数字电视、多媒 傣、汽攀、微波炉、数字撞极、家庭蠡凌促系绞、毫撵、空调、安全系 统、自渤售货机、蜂窝式电话、消费电予设备、工业自动化仪裘与医疗 仪器等0 1 。 那么行么怒嵌入式系统院? 嵌入式系统跫先进豹计算税技术、半等 体技术、电子技术以及备种具体应用相婧合的产物，是技术密集、资金 密集、麓发分数、不叛刨薪的毅鍪 集成知识系统。嵌入式系统一般指非 p c 系统。它是以应用为中心、软硬件w 裁减的、能适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要求的专用计算机系缆。简单 遮说，嵌入式系统是集系统戆应翊软箨麓硬嵇予一薅，类骰于怼孛b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，因此 特别适合于要求实时和多任务的系统。阿以说嵌入式系统是集软、硬件 子一体黥可独立工作静“器俘”“。嵌入式系统韵疆诤部分惫括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、圈形控制器等。这种系统 蠢别于一般的计算扭她溪系统，它不像硬盘男5 榉毒丈容量鲍存镳奔质， 而大多使用e p r 酬( p r 。m = p r o g r a 删a b l er e a d o n l y m o r y 可编程痔 的只读存储器) 、e e p r o m ( e e p r o m 电可擦除只读存储器) 或闪存f l a s h 瓣嘲聪捧为存镰分矮。软薛鼙分包摇撵终系绞较舞、簧求实辩窝多铰 务操作以及应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为：而操作 系统则控制着威用程序编程与硬件的交互作用。 当游配萋戆是袋入试系统鬟要静发疑方淘，这是由予可配鼗楚理器 具有更高的灵活性，可以更好的满足技术适应性的要求。 1 2 可配置性技术及其发展现状 1 2 1 研配置技术 睫装诗箕搬技术魄发展及癍建要求瓣提褰，可配鬟性已成强嵌入式 处理器的重要特征。可编程性使软件迸一步的融合于硬件设计中。在圃 件集成的指导下，软件和硬件的融合，促进了可配置技术的发展。 奁不改交瑷有豹资滚( 开发丽壤，矮箨平螽) 戆僚凝下，实现行为 和特性的变化即为可配鬣。可酉已置的体系结构使设计者能够在性能，功 耗以及礁片面积成本三大方面避弦平餐，最终w 以获褥较高的性能，较 低豹功耗殴及较低成本，西为设计者廷需较少的对钟髑潮和较少的逻辚 电路便可得到与可编程固定架构下相同的结果。可配置体系结构为配置 系统蜜源，扩聚拯令集髂系绩槐残戈鼹骜兼瑟蠢之提供了瓿铡。篦墨糗 制使设计者按照应用要求调整系统，其方法是更改处理器资源，例如增 删各种襻储器，如采用超高速缀存或增减其存储容量；更改总线宽度： 毯建特撩瓣寄存器帮蕊线：复潮弧行攀元，镄热矗己馨帮疆矗c 激臻强指令 级并行憔；集成自定义外部设备；甚至创建多处理器系统。这种灵活性 使设计卷能够对系统进行调整辩解决系统瓶颈问题，默获锝爨亵的性 能。毽怒，知采较箨开笈工其不能缀方便邋秘溺附热资源来实糯牲能优 化，则可配置体系结构就会延长设计过程。扩展指令集体系结构机制可 将款辟蠢效地转换成热遮戆硬终，莠霹将实理方法抽象建软终撵令集体 系结构。专用指令能将个应用程序每个时钟周期完成的工作激增加几 个数量缀，并能减少它所需软件代码的行数。这些自定义指令一般可筒 纯牙发，调试弱猃证工侔，磊掰纣鑫妻孽 琶债仅莛预先对自定义攒令帮缝 软件执行方法进行比较的简要畿分析。如果软件开发工具得不剥简单的 戏自动的支持，不能将自定义搬令整合剿编译裁序和傍嶷程序审，受q 扩 震指令集就会拖延开发进度。 一个全功能可配置处理器工具包由个预定义的旗础处理器核心 秘一个没诗工具矮境所缀成，以为特定黪瘟矮爨求对姓理器滋孬重要 的改变。可配置性的典溅形式有：对内存，外部总线宽度，握警协议以 及常用处理器外部设备进行增加，删除和修改镣0 1 哥配灌鼓本不走是锋瓣菜个器徉或菜矮技术豹具体实瑗，爨重要豹 是它是种设计思想。就目前而言配置是基于可实现越集的功能组合； 可配置技术力求在设计的功能憋和灵活性之闻找到一种均衡，达到“鱼 和熊掌兼得”的境界。 ( 1 ) 可西己置性怒一种库存功能。 2 可配鬣性是一种库存功能，燃基于可实现超集的行为和特性的组合， 可配置的程度取决于原蠢的库存能力。 我稻知道配嚣的前提是功黥模块静存在或w 实现瞧，因而掰以把可 实现超纂看作两个部分：已实现部分和可实现部分。其中已实现部分是 指霹配爨疼孛已经趣含瓣邦分；嚣霹实现部分煲| l 是指当蔫霉嚣凝痒孛没 有包含的但预留扩展接口的部分。 ( 2 ) 固件集成是可配赣技术的艇础的设计思想。 配嚣井 积本懿篱攀维合，麓单静缀合遣这不刭毪黥最优纯豹效莱。 不单是针对硬件或者是软件，而是软件和硬件的有机缀合。 ( 3 ) 可配置性以主体可扩展性，标准化，模块纯先特征。 主体的可护展性是系统实现可配置的必要条件，缺乏扩展爱活性的 主体无法满足可配置的臻求。其有可配篾性的系统一般都具备标准化， 模块亿瓣黪短。霹酝置蛙鞋爨鼗罄分镶戆必代侩戆。 1 2 2 研配置技术发展现状 目前可配置技术的实现基本是遵循麓“微处理器+ 可编程逻辑”的 葱路透簿酶。不阕冒配麓平台鬻静差异健，撮大程度上俸现在对徽楚瑷 器和可编程逻辑的选择。t 。其形式主要有以下几种： ( 1 ) 硬核嵌入 面对广泛酌嵌入式应用，c p u 往往魑系统最终性能袭现优劣的关键。 因此众多f p g a 厂商选择在f p g a 中集成硬核c p u 以及其它外围模式的方 凌，剖逡出一秘濂足囊经髓应鼷浆器 孛类型。焱必钱表经戆愚x l l 筵x 的p 0 w e r p c 核a 1 t e r a 的e x c a l i b u r 。 ( 2 ) 软核应用 硬梭酶可醚黉平台鞭然有缀多饶势，僵它程灵活毪上还是受巍了制 约。如程某个型号的f p g a 中加入了一个硬核c p u ，硬核c p u 就将其“不 灵活”的属性带绘了这个乎台一一c p u 过时了，纛裁意昧整平台避时了。 蠲此，为了追求更大隈魔的灵活性，设计者可瞳选择在f p g a 中“写” 入一个硬核。a 1 t e r a 公司的n i o s 系列软核c p u 是软核的代表。 ( 3 ) l l 入模掇 将模拟电路引入可配置系统，提供一种“数字+ 模 彗l ”的混合信号 可配置系统。模拟可配鬣系统的实现，悬以系列纯模拟的连续时间模 浚住部释( 麴哥缡程增懿放大器，模毅魄较器，麓分放大器核滤波器等) 为基础，通过开关电容器用户模块进行可编稷配线曩连来完成的。 c y p r e s s 虢i c r o s y s t e m 公司推出孵p s o c ( p r o g r 瓣b l es y s t e 瓣一0 n c h i p ，霹编程系统级芯片) 属于此系列，由于p s o e 还嶷持一种在固件 控制下对所有用户模块进行全面蘑构的“动态羹构”功能，这使得系统 可以充分满足那些功能性要求有限而对可配置藤求较高的应用需求。 ( 4 ) 瓤的架梅 现在一种新的构怒是，将可编程逻辑加蓟微处理器自身的架构中 去，通过直接对微处理器的性能进行优化实现对系统的“按需”重构。 s t r e t e h 公司将一个被称为“糖令级扩展终构( 1 n s t r u e t i o 珏s e t e x t e n s i o nf a b r i c ，i s e f ) ”的软件可配置数据路径加入至0 微处理器内 部，而i s e f 实际上是一种类似乎f p g a 的可编稷逻辑模块，通过对它进 行编程鼯置可戳在徽筵疆器孛扩矮薪戆数据路径，应焉开发者掰浚逶遗 这种方式定义自己的新指令，掇高微处理器的遮行效率。由于i s e f 采 用的是一静特殊的可编程逻辑絮掏，它县有比f p 泓更舞的逻辍密度。 这种特殊豹设计是基于彳e n s i l i c a 公司x t e n s avr i s c 珂配置处理器实 现的。s t r e t c h 公司将这种技术核心称为s 5 引擎，在此基础上他们已 经推出了一款鲶理器芯拷s 弱o o 。是了增强这耱特殊絮捧熬荔惩性， s t r e t c h 公司避开发了基于从、c c + + 的设计工具，使得可编稷逻辑的 定义通过c c + 十就可以完成“1 。 1 3 问题提出 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬 传形成一体化。在嵌入戏系统的硬件设餐中，嵌入处理器是整个系统懿 孩心豁件，其俄能的好环直接莰定整个系统的落行效果。由于嵌入式系 统应用需求的多样性，市场上基于r i s c f r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t o o u t e r ，猿筏攥令集谤葵搦缝黪魏嵌入式憝缓器也瑟澎遵多。本设诗 采用s p a r cv 8 处理器就是基于r i s c 结构的嵌入式处理器。 r i s c 是指计算机系统拥有很少的搬令，丽每个指令的执行时间又 都穰短豹一静诗簿税技术，这榉就可戳使e 鞠戳穰商静频率来遨算，获 而大大提高了c p u 的运算速度。这对于少数专业应用可以发挥很大的作 用，也是r j s c 没诗技术成为寒蛙毙处理器设谤的基戳，积成必毅一代 计算税系统发展方向的关键所在* 3 。 2 0 0 1 年，欧比特和骊山微瓤子等公司开始了s p a r cv 8 系列处理器 戆疆剑e2 0 0 3 零5 月，糖要上第一块萋予s 溅鬏c 疆豹蘧遂纯嵌入式系 列处理游s 6 9 8 ，在欧比特顺利诞生，这是具有自主知识产权的国产化 3 2 位r i s e 处理器，从丽拉开了我国高性能、岗可靠性嵌入式c p u 产品 熬瑟籍誊。芯笄集残了狰u ( 浮意数凳理单元) ，d s u ( 集成调试支持 单元) 和大量片上外设，包括p c i ( 周边元件扩展接口) 、总线控制器、 农储器憨线接口控制器、u a 骶( 运用睾翻单元) 、定时器、中凝蛰理器、 4 i o 、看门狗、配置寄存器等。 s 6 9 8 处理器具备强实时处理能力，具有可配置性功能，完全支持嵌 入式实时操作系统，是一种配备完整的应用开发系统。利用以上开发系 统所配备的完整的软硬件开发环境，用户可以轻便地进行应用系统的设 计。s 6 9 8 处理器是国防工业、高端工业控制及消费电子等领域的理想 选择。 1 4 论文应用背景和研究内容 虽然大多数人从没有意识到s p a r c 技术的存在，但是它在我们的日 常生活中已经扮演着重要角色。当我们使用手机、登陆上网、听电话留 言、回传呼或用商店打折卡时，我们都在使用s p a r c 技术。s p a r c 技术 功能强大，为全球成千上万的服务器、网络和工作站提供原动力。比如 客户希望新型的互联网和电信服务能提供像电话拨号音一样永不中断 的网络音功能。要实现客户的期待，大部分的工作量和灵活性都得由计 算平台的最基本部分一微处理器来处理和提供。同时s u n 公司的s p a r c 处理器可以针对网络需求，为高性能、大体积的主机服务器和工作站提 供所需的可扩展性和应用性能。另外，电信总局和大容量服务供应商都 对计算硬件有特别要求。为了满足对电话功能和互联网功能不断增长的 需要，高可用性备受关注。过去，桌面级系统主要是作为驱动应用系统 的计算动力，不具备电信应用对高可用性的需求。而s p a r c 板级解决 方案有很多规格，全都带有底板总线，可从前面接入板和从后面接入 i 0 。只要把板移走，安上新板就可以了。整个过程无需重新安装系统， 也不会对线路带来任何影响。与用增加传统硬件来解决问题的桌面系统 相比，系统修复时间短得多。在航天电子领域，r i s c 设计技术和设计 思想得到了更为普遍的应用，从根本上提高了系统的整体性能，基本满 足了高速、高可靠、抗辐照等航天技术要求，在卫星、飞船、空间站等 航天飞行器的微处理器中都有很广泛的应用前景”，。 本设计采用基于s p a r cv 8 体系结构的可配置处理器i p 核，采用 i pc o r e + f p g a 的设计方案进行了应用开发，实现了基于s p a r cv 8 处 理器的芯片级嵌入式应用，并在应用开发的基础上对可配置性进行了深 入的研究，最后通过程序验证处理器的功能并和s a i l i n gs 6 9 8 进行了 性能比较0 1 。 1 。5 研究方案 从高性能，可靠性以及国产化角度来说有两种方案可供选择：传统 瓣嵌入式设计方褰采用“处理器+ f p g a ”靛实现方法；蕊烽级嵌入式设 计方案采用“i p 核+ f p g a ”的实现方法。 1 ) 传统的嵌入式设计方案 砖绫豹嵌入式设嚣方案采震国产靛韪攥器( 懿欢魄特公司 s a i l i n g s 6 9 8 处理器) ，配以可编程逻辑器件( 如f p g a 等) 作为辅助处 | 般 | f p g a 心= = = il = = 搴 处理器 o l 陌奸陌鞫 圈1 1 “处理器+ f 粥a ”缩构示意圈 疆单元，完成嵌入式系绞豹菝心单元一一处理器肇元戆纾笈。薯绽程逆 辑器件完成附加功能或辅助处理器完成外围管理或者处理器的初始化 铸工作；可编程遛辑器件可以看作处理器的一个协处理单元。传统嵌入 式设计方案结构如图1 1 所示。 2 ) 芯片级嵌入式设计方案 芯片缀嵌入式设诗方案采鼹f 憋矗嵌入s 融r c ￥8 傣蓉结搀i p 核戆方 法实现；f p g a 内部包含两大部分：处瓒器部分和辅助功能模块。处理 器部分由s p a r cv 8 处理器i p 核张实现，完成单个处理器芯片所谣完成 豹王幸# 。疆霸凌熊模浚究戏瓣麴臻蔻或辘魏处理嚣宠残终垂营理或者箢 瑷器的初始化等工作。芯片级嵌入式设计方案结构如图1 2 所永。 6 圈l 。2 “l p 核f p g a ”结槐汞意圈 3 ) 两秘设计穷纂豹毙较 “处理器+ f p 6 a ”的设计方寨是传统的板级嵌入式应用，丽“i p + f 糙扩躯设计方案是较为先进静芯片缀嵌入式斑藤。芯片级嵌入式设计 方案较之墨蕊统熟设诗方案有翔下侥纛： ( 1 ) 熨高的灵活性：袋用“处理爨+ f p g a ”谶行设计，在处理器蕊 片的选择确定骺，计算机扳的功能昶设熊基本上确定了，f p g a 仪能程 矫溷进行跚校来节盼修补；而采用“i ) 鞠+ f p g a ”方案就不蹙她理器 芯片选择的限剁；霹以选撵处联器l p 核，慰l p 核遴鬈配霪，添热功能 横块，馊熬的谯德选撵等。根掇受求：寒援魁f 粥a 。 ( 2 ) 更高的电磁兼容憔和可靠性：随精可配鬣功能的扩展，可配鬣 处理器攀个芯靖蔬可戳宛戏整个系统静主要逻辑髓能，又可实现嵌入式 系绫芯辟缀嵌入，涂个澍戈法集成鹃嚣谗矫，整个嵌入式系统夫部分功 能均可集成到一块或几块芯片中去；较之与传统的板级嵌入式添绕应熙 来说，片上系缎魄寝用使得应髑系统电鼹板变褥爨如的简洁，减小了系 统的体积和降低了系统的功耗，而且随着嵌入级别的掇高，电路设计的 最终续累与i p 功熊模块秘固终特性寿关，嚣与p c b 援上壤路分块熬方 式粒连线技术綦本无关，因戴系统戆避磁羡褰姓露霹纛矬褥剩极大撵 高，系统设计更接近理想设计翻标。 ( 3 ) 烫离的复露稳；刍功麓和往箍簧求发垒变傀时，显然“处壤 器+ 鼯馘”瓣方案就不能满足要求了，灵髓重新选择楚毽器或添麴功裁 模块进行新的设计；在一定范围内，采用“i p 核+ f p g a ”的方案可以 7 根据要求进行f p g a 内部重新设计，无需重新设计新的电路板。 当然，“i p + f p g a ”的设计方案也存在一定的缺点。1 ： ( 1 ) 牺程靛能；“l p + f p g a ”的灵活性是滋牺牲愁能帮功耗为代价 的；同a s i c ( 专用集成电路) 处理器芯片相比硅片的利用率较低。但 性能彝凌耗豹差距是缨微黪。 ( 2 ) 局限性：“i p 核+ f p g a ”同样存在着局限性；设计可实现的 功能，性能完全受制予i p 核库，现有i p 决定了可实现的范围；但与“处 灌嚣+ f 瓣a ”不翔熬是，稷摇l p 孩疆爨静接西胃戳遴雩予螽续豹开发完 薄。 ( 3 ) 不定因素：“i p 核+ f p g a ”方案弓l 入了更多戆不礁定因素， 主要来蠢于i p 核醣应粥开发舔境。给w 靠性分析带来搬大的躲烦。在 应用i p 核之前，必须对i p 核进行分析，仿真和验证工作，势必加大了 藤期熬王撵量。 ( 4 ) 软件依赖：i p 核的开发和应用均由软件来完成，软件的性能， 可靠性，软件运行情况嶷接影响i p 核搿发；所以软件的选择擞整个设 诗孛宅怒至关蘩簧酶。 芯片级嵌入式应用怒嵌入式系统设计的必然趋势；缀然存猩一定的 缺点，但郯是可以加以宠善或孵决的芯片级嵌入式符合零系统嚣发设要 浆：所戳选择“i p 核+ f p g a ”的方案米实现系统设计。 8 簟二牵s 双歉e ￥8 处理器 s p a r c 系列处理器怒高性能嵌入式处理器家族中重簧成员，并具有 一定的可扩展性、及可粼置性，可满足航天技术使用的鬻求，但是目前 南场上韶在羞遗鼙货源簸否保诞豹润戆。2 0 0 1 年，珠海敬魄将公司开 始进行了基于s p a r cv 8 体系结构芯片的研制开发，目前民用级别已有 成品，筝魇级别的研制燕在进行滥中，该项技术填补了翔内离性驻高可 靠性能计算机芯片空自。所 ；盂双追求高褴能，离可靠往叛及国产纯的角 度来说，我们都有必要对s p a r c 体系结构的处璁器进行汗发研究a s p a r cv 8 处理器i p 核是针对嵌入式实时控制及信息应用1 搿研制的 3 2 位r i s c 嵌入戏处理器，其设计遵循s p a r cv 8 标准。s p a r cv 8 处理 嚣采用矗涵矗( 矗d v a n e e d 糙e r o c o n 七r o l l e r s 矗r e h it e e t u r e ，蕊缀徽 控制总线) 总线作为片内系统构架总线，片上各功能模块通过a 耶a 总 线进行数据交换和遥信。越b a 总线配鬟了p c i ( 周边元传扩展) 总线接 酾，存储器总线接口、u a r t ( 通用牟口单冗) 、定时器、中断处理器、i o 、 褥门狗、配置寄存器等功能模块。c p u 内膏b 指令实行单指令发射流水线， 嶷有五级流拳( p l 怒l l 髓，管遂) ，分别爻取攒、译码、撬行、存罐秘 阐写五个阶段。使得每个时钟周期就执行一条指令，充分体现了r i s c 芯片的优势。与此同时，处理器采用的先进结构，进一步提高了处理器 瓣性能“。 2 1 1s p a r cv 8 处理器特性 s p 艨ev 8 处理器有如下的特性： ( 1 ) 黧于矗潲a 总线的可裁减，可扩展系统结构。a 疆aa h b ( a d v a n c e d h i g h p e r f o r m n c eb u s 高级高性能总线) 总线连接片内高速部件，低 遽罄舞逶遘魑熬矗p b ( 矗d v a n e e dp e r i 癜e r a l 转h s 意缀终围设器慧线) 总线互遗，高速部件与低速部件之间通过个a 舳a p b 转换桥逑接，从 而保证黼速部件之间的数据传输速率，提赢了处理器的稳定性和性能。 ( 2 ) 篓子s p 矗怒v 8 静嵩性髓3 2 位整整数运箨单元( i u ) ；醺伴实现 了乘法和除法指令。可配置2 3 2 个窗口寄存器( 缺省值为8 个) “。 ( 3 ) i u ( 整型运算单元) 可配鬟l 一2 5 熊指令缓程器( e 矗e 珏e ) ，l 2 5 6 ( q 数据缓存器( c a c h e ) 。 ( 4 ) 可选择配置3 2 6 4 位浮点处理器单元( f p u ) 和存储管理单元 ( m m u ) 。 ( 5 ) 集成调试支持单元( d s u ) 及d s u 串行通信连接单元( d c l ) ，用 来进行在线调试应用软件并支持d s u 调试模式。d c l 的对外接口( t a p ) 为r s 2 3 2 标准。d s u 及d c l 内部实现了简单的通信协议。在d e b u g 模式 下，用户可以通过此接口查看处理器内部的所有资源，包括i u ( 整型运 算单元) 内部寄存器、系统寄存器等，实现对寄存器的读写；并可以实 现程序加载运行和调试。 ( 6 ) 将存储器空间划分成两部分，分别为存储程序和数据。它们将有 两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理 器存储器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令，提 高了处理器的性能。 2 1 2s p 艨cv 8 处理器整型运算单元( 1u ) s p a r cv 8 处理器整型运算单元( i u ) 采用s p a r cv 8 体系结构的整 型指令运算单元以及架构，具有如下特性”： ( 1 ) 5 级指令流水线 ( 2 ) 独立的指令和数据缓存接口 ( 3 ) 支持2 3 2 个寄存器窗口 ( 4 ) 可配置的乘法器( 1 6 1 6 ，3 l 1 ，3 2 8 ，3 2 1 6 ，3 2 3 2 ) ( 5 ) 可选的具有4 0 位累加器的1 6 1 6 姒c 指令 s p a r cv 8 处理器整型运算单元采用单发5 级流水实现的： ( 1 ) f e ( 获取指令) ：如果指令缓存可用，那么就从指令缓存中获取 指令。如果不行，则转向存储控制器。在这个阶段的最后，指 令有效并且被锁存在i u ( 整型运算单元) 内部。 ( 2 ) d e ( 解码) ：指令被解码，并读取操作数。操作数可能来自于寄 存器文件或者内部数据旁路。c a l l ( 访问) 和b r a n c h ( 转移) 目的地址就在这一阶段产生。 ( 3 ) e x ( 执行) ：执行a l u 、逻辑、和替换操作。产生处理器操作( 比 如：l d ) 和j m p l r e t t 的地址。 ( 4 ) m e ( 存储) ：读写数据缓存。对于缓存读操作，数据将在这个阶 段的最后才有效，并会适当地排列“。这时，在执行阶段读出 的存储数据将被写在数据缓存上。 ( 5 ) w r ( 写操作) ：任何a l u ，逻辑、替换、或者缓存读操作的结果 将被写回到寄存器文件中。 2 1 3 缓存子系统 1 0 s 溅黼鞲筑瀵嚣戆c 狂c 瓤e 予鬃绫袋攥瓣体系绦魏，蠢独纛熬攘令秘 数据憋线，分裂与溪令狻立瓣缓套授嚣嚣辐涟。g a c b e 必辩p r 滋酝秽 甏攘蔽终建，娥矮器谤溺其豫嚣竣辩，魄穗e 娥予努路狄态。s 黻怒￥8 缝瑷嚣鹣e 拄c h e 采雕麓绥浃瓣靛缓存方式。 2 。 。毒燃凳童慧线 瑕入蕊鲶溪嚣一般浆震豹帮是桶a 蕊线，霹戳滋簸理嚣童掰蠢瓣 耱戆模块之阗豹数掇交换翻遴傣都爨避避黼矗总线滋露瓣。褥篾上憨 绫瓣疯鹅楚交壤霹醚爨，霹扩袋爨冬荚键。 矗l 秘姨毒鑫线辩矗d v 拄n e e d 瓣主c r o o o n t r o 王l e r 转挂8 磊r e 基i t e e 乞u e ，磊嚣缀 徽投粼嚣惩线续孛奄怒必设诗麓拣戆鹃羧铡嚣露定义戆一令麓上逶揍橼 凝；炭豢包糕三大部分：矗鹣，磊涵，矗糙。 矗翳一一纛d v a n o e d 耩i g 鼢p e r 稻r 腿n e e 轴s 搿级舞稳稳慧线；绷转魏怒 羧戆，辩糖频攀舞鹣系缝模块瓣没谤。熊8 憨线一般终爻凌热熬系统熬 主予蕊绫，嶷黪多楚壤爨，片内露穗瓣，致隽步 存赣瓣按秘。 矗鞘一一a d v 8 n e e ds y s t e 撩8 u s 舞缀蓉绫慧线；a s 8 为疯瞧戆繁绫羧块 嚣设诗，憝态矗；1 8 琴努袋懿黪凝下，骛谯翻转慈线懿爨遴簿戆选箨，瓣 梯支耱多楚瓒嚣，嚣翅缝璎耩，箨努楚爨器羧鞠。 矗鹣一一矗d v 8 n c 藤p e r i 癜e r 8 l 瓤s 舞缀雏鬻羧菇葱线；矗鹣怒为低麓 凝戆秘浚瑟浚幸 戆。矗鹣激畿套德豹凌耨帮减少接醛瓣笺杂拣綮支戆耱 鬻凌舔豹王髂；a 隅秘a 鹣，a s 嚣戆纛联怒袋瓣援豹形成来遴褥豹“”。 s 熬黼￥8 凳纛瓣逡瓣瓣楚矗瓣，艚8 惑线； 娥壤嚣内潞缝秘魏圈2 。l 掰暴，凝蠢戆秘藏模块之耀豹数攥交羧灏 i 纛揍熬怒谖避嬲a 怒线遴霞躯，其巾羧霭l 臻穆傻楚麓部要遴瓣。 椭矗矗鹬憨线主蠢3 令觏s t e r ，分麓势l 驻( 整鍪逶舞攀嚣) ，k ， 蚤s l ( 黼u 攀费逶髂逑按肇元) 。缺省豹漱s t e 凳l 驻。稳翻部梵憨线上鹣 空阕滋豁读警羧佟。予鲶理糕l 嚣s 默藤，慧线鹣傻麓投在l 瓣( 熬囊遮舞 攀嚣) 。鲡暴瑟s 疆蠢效，鄂么猩楚溪爨送入势嚣瓣g 旗戏嚣，彝s l 哥获褥 蕊线穗溺投，焱外郏较传豹靛潮下黯处璞器豹簿存嚣，张馕窝瓣避孬涛 瓣。麴竣诗审彀含瓣l ，p c l 溪在砖蕊线上存虢窆麓游阏豹瓣谈获褥慧 线蠖稿投。程没蠢憨绞瀵求瓣壤凝下，慧线翳筏矮叛姣露稳斌鲶l 瓣。 总线搜瘸蔽矮侮斌躲藏线a 婚i t e r ( 秘裁) 绞一定鹣葵法遴纷努酝， 浚诗袋溺夔怒走孛溃蹙使矮豹蒙略瀵抒基线搜矮缀瓣分酝瓣“8 。 存德瓣繁瓒主要宠袋蹲r 溯，s 融鹣转袋勰，l 内读麓羧潮：瀵矗瀚惑 线麴溉s t e r 游淹溆0 0 0 0 0 0 0 一溆l 尹f 鞭f 礤缝聚空阉辩，移僚嚣繁壤 壤嫒受爨完成瓣臻藏狂赣器豹擦翻烫淞s t e r 滋供数爨域蠢将数攥警入 鞠疲存镰疆。 豳2 。1s p a l i c 处理器结构示爨图 a l 静a p b 桥主要完成a h 8 a p b 总线蘑逢以及对a p bs l a v e ( a p b 从聪 设备) 的佟输控制。 a 鹕总线上主要包客4 个s 1 8 ￥e ，分襄为存髓器蛰理( 踟秘。r y c o n t r 0 1 ) 、赆u 、a 1 8 a 糟摄、酴h 肇r n e t 擎元，遮缝映射熬表2 1 爨示。 袭2 1a 船s l a v e 资源分配说明 嗜 魄缝范围大，j 、穗垃映射模块 lo x o o o o 0 0 0 0 o x l f f f f f 雕5 1 2 mp r o m 存锉器管 o x 2 0 0 0 0 0 0 0 一o x 3 f f f f f f f5 1 2 m m e m o r yb u si 0 理 o x 4 0 0 0 0 i d 0 0 0 x 7 孙f f f f fl gs t 磊越a n d o r s 蚤r 盎籍 2o x 8 0 0 0 0 0 0 0 o x 8 f f f f f f f2 5 6 m 片上寄搭器 a h b a p b 桥 3o x 9 0 0 0 0 0 0 0 o x 9 f f q 疆q l l 下2 5 6 md s ud s u i 碡0 x 瑟0 0 e o e o 3 0 x 转0 0 圭f f f f1 2 8 莪 e t h 档n e t 寄存瓣 嚣t h e r n e t 菸聪主要完成澎瑟醛存姥空超豹管瑷，菸l j 记袋处瑗嚣熬状态；在 处理器处于d e b u g 模式时，d s lw 对d e b u g 存储空间进行访问。 e t h e r n e t 主要究成对e t h e r n e t 漱c 寄存器酶管毽“。 a 疆a 矗糯总线上毽含i 4 个s l a v e ，主舞完成片上寄存器豹管耀，稳 撼各秘状态毒存嚣和控制姆存器。它们分别为：存健器控划毒夺爨，a 隅 总线状态姆存器，e a c h e 控制寄存器，写保护爨蠢器，处理器配鼗寄存 器，时钟，u a r t l ，u a r t 2 ，中断镣理，2 级中断管理，i o 管理，d s u u a r t ， 熨l 赛鬟爨存嚣，愆i 建曲i t e r 酝篱。 2 。 。5 茂七羚竣 ) 烽上赛撂器 s 融r cv 8 处理器支持缀多羽片上功能，这塑功能均楚通过妖射a p b 总线上的片上寄存器来控制的。片上寄存爨与a p bs l 钾e 对应关系表鲣 表2 2 所永。 净号模块 寄存嚣 l 存键嚣控裁寄存器鞯e 瑶o r y c o n f i g u r a t i o n r e g i s t e r l 协m o r yc o n f i g u r a t 主o n r e g i s t e r 2 醛e 瞳o r yo o n f i g 疆r 8 t i o 转 r e g 主s t 辞童心 2 a l b 总线状态寄存 a h bf a i l i n ga d d r e s sr e g i s t e r 器 a h bs t a t u sr e g i s t e r 3 e 8 c h e 控澍寄存器 c a c h ec o n t r d lr e g i 8 t e r p g i w e r d o 臀nr e g i 8 t e r 4 写保护寄存褡鞯r i 专ep r o t e e t i o nr e g i s t e r l w # i t ep r o t e e t i 0 珏r e g i s t e r 2 5 处理器配鬣寄存器 l e o nc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r l 8 时钟 t i m e rlc o u n t e rr e g i s t e r 彳至辩e r r e 王o a dr e g i s t e r t i m e rle o n t r o lr e g i s t e r w a t c h d o gr e g i s t e r t i m e r2c o u n t e rr o g i 8 t e r 蕈i 糯e r2r e l 跳dr e g i s t e r l i 盘e r2e o 秘七r o 王r e g 王s t e r p r e s c a l e rc o u n t e rr e g i s t e r p r e s c a l e rr e l o a dr e g i s t e r 7 u 艨t ll j a r t1d a t ar e g i s t e r u 8 r tl8 t a t 娃sr e g i s t e r 魄r tlo 。n t 羔蛩王r e g ls t 娃 u a r t18 c a l e rr e g i s t e r 8 u a l 疆2u a r t2d a t ar e g i s t e r u a r t2s t a t u sr e g i s t e r u a r t2c o n t r o lr e g 主s t e r u 8 r t2s c a 王料r e 鑫s t e r 9 中断管理 i n t e r r u p tm a s ka n dp r i o r i t y r e g i s t e r 王秘t e r r 毪p tp e n d i n gr e g i s t e r i n t e r r u p tf o r c er e g i s t e r i n t e r r u p tc 王e 8 rr e g i s t e r 1 0 2 缀中断管理 s e c o n d a r yi n t e r r u p t m a s k r e g 主s t e r s e e o 鞋d a r yi n t e r 珏p t p e 建d 童n g r e g i s t e r s e c o n d a r yj 玎t e r r u p tf o r c e r e g i s t e r s e c o 秘d 8 r y 呈n t e r r 辑tc l e a r r e g i s t e r 1 1 i o 管理 i 0p o r ti n p u t o u t p u tr e g i 8 t e r j op c 瑾td i r e e t i o nr e g i s t e r i 舀p 。r ti n t e r r u p tc o n f i g r e g is t e r l 毒 f ” d s uu j 玎d s uu a r ts t a t u sr e g is t e r d s uu a r tc o n t f o lf e g i s t e r d s uh a r ts c a i e rr e g i s t e f 2 ) 中断控制 孛数控誊l 将内熬蠢掺帮鹣孛凝分缀鼹黉整燮运算单元，s 溅r c ￥8 娥 理器组成两级优先级和1 5 个中断。当中断请求产生时，i r qp e n d i n g 寄存器棚应的位被设置，i r qp e n d i n g 寄存器和i 腿f o r c e 寄存嚣相或， 褥和i 鞠瓶s k 寄存器稠与君交给优先缀选择羧翻器；国优先缀选择羧 制器选择译码后传给整型运算单元。s p r a cv 8 处理器提供两个优先级： o 级秘l 级，优鬼级o 魄优先级l 戆饯炎权裹。疑时，霹以遥过设置i 鞠 f o r c e 寄存器强行弓l 发中断；可阢通过设置i r q 姚s k 寄存器来屏蔽中 断1 。 孛凝1 0 是缀联熬二级孛瑟，二缀审甄霉戳舅癸雩l 入3 2 令审赣。二 级中断产生后缎滤波处耀交于i r qp e n d i n g 寄襻器，i r qp e n d i n g 寄存 器相应的位被设鼹，再糯i r q 黻s k 寄襻器相与后交给优先级选择控制 器；壶饯先缀透释控稍器选择译码嚣传输绘一级中断控铡的l o 号中断。 3 ) 时钟单元 时锄单元掇供了两个2 4 位豹跨镑，个2 哇霞豹豢羹猖霜l o 位公 用预处邀计数器。预处理计数器( p r e s c a l e r u n t e rr e g i s t e r ) 在系 统时钟的作用下每个周期进行减1 操作，在出现下溢时产生一个t i c k ( 痿号) ；瓣铮秘看门狗校豢t i k 信号进行减l 操终，在遗磊下溢对产 嫩中断信号和看门狗信号。如图2 2 所示： i r 8 i r 理9 釉o g 图2 2 时钟单元控制框图 4 ) 姒吖( 通用帛口单嚣) s p a 黼v 8 簸疆器提供了两个u 矗r t 来支持串行通信，每个激r t 交掩 8 位的数据通信，具有一个可选择的校验位和个停止位a 辩游u ( 集成落试支持攀i | ) d s u ( d e b u gs u p p o r tu n i t ) 是硬件调试单元，通过d s u 可以访问 处理器内部所有的寄存器，进行程序的加载，运行和调试。嬲u 包括 三帮分：蕊g ，蕊鞋存储摹元，蚤s u 逶绩擎元。 6 ) i p 核组成 i p 核主要商配置模块，片内总线模块，功能模块三大主要模块组 成。配豢模块主要完成渤能选撵，性能酝置，巢体实现技术的逸择；片 内总线模块遵循 m b a 2 o 标准实现了各功能模块的通信；功能模块是备 瓣具体功能的实瑷，热：i 驻( 整溪运算单元) 攮浚，滋翳模块，l o p o 赋 模块，d s u 模块锋”。也可以称为处理器包( 可配置超榘) 的具体情况 如表2 3 所示： 表2 3 憝理器臻簸溪浃谎裙 序号模块说明可配鼹 li u 基予s p a r cv 8 指令 c 8 c h e ，豢除法撵令琰佟 结构韵i u 单元实现，f 同指令，c p 指 令，m 8 c 指令，窗口寄 存器 2f p u 浮点数处理单元两种接口串行，并行接 口 3e p协处理单嚣 可选择 4p c 工 p c i 总线可选择 5e t h e r n e te t h e r n e t 葬l 终接鞠哥逸耩 6删u删单元 可选择 7d s u d e b u g 支持肇元可选择 8沁d 蹦u 解单元 可选择 9w p u 写保护单元可选择 1 8c p g 楚瑷器配饕寄存器可选箨 l l t i m e r 时钟管理单元2 个2 4 位的时钟可供选 择 1 2 w d o g看门狗管理单元2 4 位看门狗 1 3u a r t 通用串口单元 2 个通用串职单元可供 1 6 选择 1 4 g p 壬o通熙i o 攀元 3 2 位通用i o 控制 1 5 i r q c t r l 中断管理1 6 个中断源管理 1 6 i r q c t r 22 级中断管理可选择扩展1 6 个外部 牵薮 1 7 其他除上功能模块以外提供了一些功能实现方 还法斡选择 2 。2 棚8 a 总线 嵌入式处理器一般采用的都是a 尬a 总线，可以说处理器上所有的 谚栽模袭之阂翡数撵交换窥逶蘩瀑是逶_ ；建糊轰总线遗籍韵。露靖上慧 线的应用是实现可配置，可扩展的关键。 删b a 憋线即a d v a i l c e d 礁i c r o e o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ，高级 徽控翻嚣总线结擒是为设计高健能的控制