owerPC處理器原理介紹ppt課件

1、何賓2021.10 本章主要引見(jiàn)PowerPC405嵌入式處置器的構(gòu)造，其主要內(nèi)容包括： 1)PowerPC處置器構(gòu)造； 2)PowerPC處置器的存放器； 3)PowerPC處置器I/O接口； 4)PowrPC處置器的OCM控制器； 5)PowerPC處置器的APU控制器。 這幾部分內(nèi)容是PowerPC處置器根本原理的中心，也是設(shè)計(jì)人員運(yùn)用PowerPC405嵌入式處置器進(jìn)展SOPC設(shè)計(jì)的根底。 PowerPC處置器為32位的PowerPC嵌入式環(huán)境體系構(gòu)造embedded environment architecture，該構(gòu)造來(lái)源于PowerPC體系構(gòu)造。Virtex-II Pro運(yùn)用P

2、owerPC405D5結(jié)構(gòu)，Virtex-4運(yùn)用PowerPC405F6構(gòu)造。 本章的處置器塊processor blcok是指銜接PPC405 D5或者PPC405F6核，片上存儲(chǔ)器邏輯on-chip memory logic，OCM，輔助處置器單元(Auxiliary Processor Unit，APU)，相關(guān)邏輯和接口的處置器集合。 PowerPC處置器構(gòu)造所提供的軟件模型保證了在實(shí)現(xiàn)PowerPC系列微處置器上的兼容要求。PowerPC體系構(gòu)造定義的參數(shù)保證了在運(yùn)用程序級(jí)上的處置器實(shí)現(xiàn)上的兼容。 PowerPC處置器是定點(diǎn)處置器，它與處置器是定點(diǎn)處置器，它與PowerPC UISA兼

3、容。兼容。PowerPC405 VEA和和OEA支持大部分都可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)支持大部分都可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)PowerPC405 Book-E的構(gòu)造。圖的構(gòu)造。圖3.1給出了給出了PowerPC處置器的構(gòu)造圖。處置器的構(gòu)造圖。 1、中央處置單元(CPU) PowerPC處置器采用了5級(jí)流水，包括：取指，譯碼，執(zhí)行，回寫(xiě)和加載回寫(xiě)；取指隊(duì)列用于存放指令，由三部分組成：兩個(gè)預(yù)取緩沖區(qū)和一個(gè)譯碼緩沖區(qū)。取指和譯碼邏輯可以同時(shí)處置兩條分支。 PowerPC處置器有單線程(single-issue)執(zhí)行單元，包含通用存放器GPR，算術(shù)邏輯單元ALU和乘-加單元MAC。執(zhí)行單元支持在硬件內(nèi)一切的32位PowerPC

4、UISA指令。不支持浮點(diǎn)操作。 2、異常處置邏輯 異常被分為兩類(lèi)：緊急的和非緊急的；PowerPC405處理用于處置異常19種能夠的異常，這些異常包括：錯(cuò)誤條件，內(nèi)部定時(shí)器，調(diào)試事件和外部中斷控制器EIC接口。 每一類(lèi)異常都有保管/恢復(fù)存放器。SRR0和SRR1用于非緊急中斷，SRR2和SRR3用于緊急中斷。圖3.1 PowerPC處置器的內(nèi)部構(gòu)造 3. 存儲(chǔ)器管理單元包括： 1)轉(zhuǎn)換4GB邏輯地址空間到物理地址空間； 2)獨(dú)立控制指令轉(zhuǎn)換和維護(hù)，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和維護(hù)； 3)對(duì)TLB的奇偶檢測(cè)和報(bào)告； 4)運(yùn)用轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)展頁(yè)面級(jí)訪問(wèn)控制； 5)軟件控制的頁(yè)面交換戰(zhàn)略； 6)為每個(gè)虛擬存儲(chǔ)器區(qū)域的

5、完全寫(xiě)入，緩沖才干，用戶(hù)定義的 0，維護(hù)和段WIU0GE存儲(chǔ)屬性控制； 7)實(shí)方式下的32個(gè)128M空間的WIUOGE存儲(chǔ)屬性控制；適用區(qū)域的額外維護(hù)控制； TLB用于控制地址轉(zhuǎn)換和維護(hù)。其任務(wù)原理MicroBlaze處置器的TLB根本一致。 4、指令和數(shù)據(jù)緩存 PowerPC處置器經(jīng)過(guò)指令緩存單元ICU和數(shù)據(jù)緩存單元DCU訪問(wèn)存儲(chǔ)器。每個(gè)緩存單元包括： 1)PLB主接口 2)緩存陣列 3)緩存控制器； 對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，對(duì)指令和數(shù)據(jù)緩存的命中是單周期的存儲(chǔ)器訪問(wèn)。處置緩存缺失，就是經(jīng)過(guò)PLB向其它PLB設(shè)備發(fā)出懇求，比如外部存儲(chǔ)器控制器。 緩存控制器采用了最近運(yùn)用的LRU的緩存行交換戰(zhàn)略。即緩

6、存行被填充時(shí)，最近經(jīng)常訪問(wèn)的緩存行被保管，而其它均被交換。 指令緩存的功能包括：16KB，雙向級(jí)關(guān)聯(lián)2-way set associative；奇偶檢測(cè)和報(bào)告只需Virtex-4；每緩存行8字32字節(jié)；提取行緩沖區(qū)；提供了來(lái)自提取行緩沖區(qū)的取指命中；下一個(gè)順序行的可編程預(yù)取到提取行緩沖區(qū)；非緩存指令的可編程預(yù)?。喝?字/半行4字；提取行滿時(shí)，非阻塞訪問(wèn)。 數(shù)據(jù)緩存的功能包括： 1)16KB，雙向級(jí)關(guān)聯(lián)2-way set associative； 2)奇偶檢測(cè)和報(bào)告只需Virtex-4； 3)每緩存行8字32字節(jié)； 4)讀、寫(xiě)線緩沖區(qū)； 5)提供從/到線緩沖行的加載和存儲(chǔ)命中； 6)可編程的加

7、載和存儲(chǔ)緩存行分配； 7)在緩存行滿時(shí)的操作數(shù)推進(jìn)Operand forward邏輯； 8)在緩存行滿并且刷新時(shí)的非阻塞訪問(wèn)。 5、定時(shí)器資源 PowerPC405處置器包含一個(gè)64位的基準(zhǔn)時(shí)間和3個(gè)定時(shí)器。 基準(zhǔn)時(shí)間經(jīng)過(guò)運(yùn)用CPU 時(shí)鐘或者外部時(shí)鐘源，同步進(jìn)行時(shí)間的添加。定時(shí)器運(yùn)用基準(zhǔn)時(shí)間同步添加。 PowerPC處置器支持三種類(lèi)型的定時(shí)器： 1)可編程間隔的定時(shí)器； 2)固定間隔的定時(shí)器； 3)看門(mén)狗定時(shí)器； 6、調(diào)試 PowerPC405處置器調(diào)試資源包括特殊調(diào)試模型，在硬件和軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，支持各種類(lèi)型調(diào)試。這些調(diào)試包括： 1)內(nèi)部調(diào)試方式：ROM監(jiān)控程序和軟件調(diào)試器 2)外部調(diào)試方式

8、：JTAG調(diào)試器 3)調(diào)試等待方式：處置器停下來(lái)允許效力中斷 4)實(shí)時(shí)跟蹤方式：事件觸發(fā)用于實(shí)時(shí)跟蹤 7、PowerPC處置器接口，包括： 1處置器本地總線 處置器本地總線PLB接口提供一個(gè)32位地址和3個(gè)64位數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)緩存和指令緩存銜接。其中的兩個(gè)64位總線銜接到數(shù)據(jù)緩存單元，一個(gè)支持讀操作，另一個(gè)支持寫(xiě)操作；另一個(gè)銜接到指令緩存單元。 2設(shè)備控制存放器 設(shè)備控制存放器device control register，DCR支持與片上存放器的銜接用于設(shè)備控制。軟件經(jīng)過(guò)運(yùn)用mfdcr和mtdcr指令來(lái)訪問(wèn)這些存放器。 3時(shí)鐘和電源管理 時(shí)鐘和電源管理接口支持幾種時(shí)鐘分配和電源管理的方法。

9、4JT AG端口 JTAG端口接口支持與外部幾種調(diào)試工具的銜接。運(yùn)用JTAG測(cè)試訪問(wèn)端口，調(diào)試工具能單步運(yùn)轉(zhuǎn)處置器和查看內(nèi)部處置器的形狀，這樣可以方便軟件調(diào)試。 5片上中斷控制器 片上中斷控制器接口是一個(gè)外部的中斷控制器，它與來(lái)自片上或外部的中斷源輸入銜接，并且運(yùn)用一對(duì)中斷信號(hào)緊急和不緊急的將其傳送給處置器。異步中斷源包括外部信號(hào)，JTAG和調(diào)試單元和其它片上外設(shè)。 6片上存儲(chǔ)器控制器 一個(gè)片上存儲(chǔ)器OCM接口支持在性能級(jí)上，將額外的能被訪問(wèn)的、與緩存陣列匹配的存儲(chǔ)器銜接到指令和數(shù)據(jù)緩存。 PowerPC處置器構(gòu)造是一個(gè)有處置器構(gòu)造是一個(gè)有32位子集的，位子集的，64位的體位的體系構(gòu)造。系構(gòu)造

10、。 PowerPC 體系構(gòu)造分為三個(gè)級(jí)別。經(jīng)過(guò)對(duì)體系構(gòu)造體系構(gòu)造分為三個(gè)級(jí)別。經(jīng)過(guò)對(duì)體系構(gòu)造以以這種方式進(jìn)展劃分，為實(shí)現(xiàn)可以選擇價(jià)錢(qián)這種方式進(jìn)展劃分，為實(shí)現(xiàn)可以選擇價(jià)錢(qián)/性能比平衡的性能比平衡的復(fù)雜性級(jí)別留出了空間，同時(shí)還堅(jiān)持了實(shí)現(xiàn)間的代碼兼容復(fù)雜性級(jí)別留出了空間，同時(shí)還堅(jiān)持了實(shí)現(xiàn)間的代碼兼容性。性。 1、用戶(hù)指令集體系構(gòu)造UISA 定義了通用于一切 PowerPC 實(shí)現(xiàn)的用戶(hù)指令和存放器的根本集合。這些是非特權(quán)指令，為大多數(shù)程序所用。 2、虛擬環(huán)境體系構(gòu)造VEA 定義了常規(guī)運(yùn)用軟件要求之外的附加的用戶(hù)級(jí)功能，比如高速緩存管理、原子操作和用戶(hù)級(jí)計(jì)時(shí)器支持。雖然這些操作也是非特權(quán)的，但是程序通常

11、還是經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)這些函數(shù)。 3、操作環(huán)境體系構(gòu)造 OEA 定義了操作系統(tǒng)級(jí)需求和運(yùn)用的操作。其中包括用于內(nèi)存管理、異常向量處置、特權(quán)存放器訪問(wèn)、特權(quán)計(jì)時(shí)器訪問(wèn)的函數(shù)。該體系構(gòu)造中詳細(xì)闡明了對(duì)各種系統(tǒng)效力和功能的直接硬件支持。 PowerPC嵌入式環(huán)境體系構(gòu)造的特點(diǎn)有：為嵌入式軟件環(huán)境進(jìn)展了存儲(chǔ)器管理的優(yōu)化為性能優(yōu)化和存儲(chǔ)器控制的緩存管理指令用于控制存儲(chǔ)器系統(tǒng)行為的存儲(chǔ)屬性用于控制調(diào)試資源控制，定時(shí)器資源，中斷，實(shí)時(shí)模式存儲(chǔ)屬性，存儲(chǔ)器管理工具和其它構(gòu)造的處置器資源 一個(gè)設(shè)備控制器存放器地址空間用于管理片上外設(shè)， 比如存儲(chǔ)器控制 一個(gè)雙級(jí)中斷構(gòu)造和中斷控制指令 多重定時(shí)器資源 調(diào)試資源

12、，可以進(jìn)展硬件和軟件調(diào)試功能比如指令斷 點(diǎn)，數(shù)據(jù)斷點(diǎn)和程序的單步執(zhí)行。 PowerPC處置器增持實(shí)方式和虛擬方式兩種地址轉(zhuǎn)換方式。在實(shí)方式下，程序直接尋址物理存儲(chǔ)器；在虛擬模式下，程序地址虛擬存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的地址經(jīng)過(guò)處置器轉(zhuǎn)換為物理存儲(chǔ)器的地址。這使程序可以訪問(wèn)更大的地址空間。 經(jīng)過(guò)加載和存儲(chǔ)指令支持?jǐn)?shù)據(jù)尋址，其尋址方式有： 1)經(jīng)過(guò)立刻索引的存放器間接尋址； 2)經(jīng)過(guò)索引的存放器間接尋址； 3)存放器間接尋址。 在分支指令中運(yùn)用下面的分支尋址方式中的一種： 1)相對(duì)分支分支相對(duì)當(dāng)前指令的地址； 2)絕對(duì)分支分支在存儲(chǔ)器中的絕對(duì)地址； 3)銜接存放器分支分支地址保管在銜接存放器中; 4)計(jì)

13、數(shù)存放器分支分支地址保管在計(jì)數(shù)存放器中. PowerPC 的存放器分為兩類(lèi)： 1)用戶(hù)存放器； 2)特權(quán)存放器； 1、通用存放器、通用存放器GPR 用戶(hù)指令集體系構(gòu)造規(guī)定，一切實(shí)現(xiàn)都有用戶(hù)指令集體系構(gòu)造規(guī)定，一切實(shí)現(xiàn)都有 32 個(gè)個(gè) GPR從從GPR0 到到 GPR31。GPR 是一切整數(shù)操作的源和目是一切整數(shù)操作的源和目的，也是一切加載的，也是一切加載/存儲(chǔ)操作的地址操作數(shù)的源。存儲(chǔ)操作的地址操作數(shù)的源。GPR 還還提供對(duì)提供對(duì) SPR 的訪問(wèn)。一切的訪問(wèn)。一切 GRP 都是可用的，只需一種情都是可用的，只需一種情況例外：在某些指令中，況例外：在某些指令中，GPR0 只是代表數(shù)值只是代表數(shù)值

14、 0，而不會(huì)，而不會(huì)去查找去查找 GPR0 的內(nèi)容。的內(nèi)容。 2、公用存放器SPR組 用戶(hù)級(jí)的SPR組包括SPRG4-SPRG7，需求系統(tǒng)效力的支持才可以由運(yùn)用程序讀寫(xiě)的 SPR 包括時(shí)基Time Base和其他各種能夠支持的計(jì)時(shí)器。 3、鏈接存放器Link Register，LR 這個(gè)存放器存放的是函數(shù)調(diào)用終了處的前往地址。某些轉(zhuǎn)移指令可以自動(dòng)加載 LR 到轉(zhuǎn)移之后的指令。每個(gè)轉(zhuǎn)移指令編碼中都有一個(gè) LK 位。假設(shè) LK 為 1，轉(zhuǎn)移指令就會(huì)將程序計(jì)數(shù)器移為 LR 中的地址。而且，條件轉(zhuǎn)移指令 bclr 轉(zhuǎn)移到 LR 中的值。 4、定點(diǎn)異常存放器Fixed-Point Exception R

15、egister，XER 這個(gè)存放器存放整數(shù)運(yùn)算操作的進(jìn)位以及溢出信息。它還存放某些整數(shù)運(yùn)算操作的進(jìn)位輸入以及加載和存儲(chǔ)指令 lswx 和 stswx 中傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。 5、計(jì)數(shù)存放器Count Register，CTR 這個(gè)存放器中存放了一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器，會(huì)隨特定轉(zhuǎn)移操作而遞減。條件轉(zhuǎn)移指令 bcctr 轉(zhuǎn)移到 CTR 中的值。 6、條件存放器Condition Register，CR 這個(gè)存放器分為八個(gè)字段，每個(gè)字段 4 位。 1、機(jī)器形狀存放器Machine State Register，MSR MSR包含了那些控制處置器運(yùn)轉(zhuǎn)形狀的位域，這些位只能被特許的軟件訪問(wèn) 2、核配置存放器Core

16、Configuration Register，CCR 該存放器在Vitex-4以上版本有，CCR存放器的一些額外的控制比特用于使能奇偶校驗(yàn)。CCR1用于使能奇偶錯(cuò)誤插入用于硬件調(diào)試。MCSR存放器包含形狀信息用來(lái)確定指令緩存、數(shù)據(jù)緩存或TLB的奇偶錯(cuò)誤源。 3、異常處置存放器Exception-Handling Register組 包括EVPR、ESR、DEAR、SR0-SR3、MCSR存放器。 4、存儲(chǔ)器管理存放器Memory Management Register組 MMR存放器組包括PID、ZPR存放器。 5、存儲(chǔ)器屬性控制存放器Storage-Attribute Control Reg

17、ister組 SACR存放器組包括DCCR、DCWR、ICCR、SGR、SLER、SU0R存放器。 6、調(diào)試存放器Debug Register，DR組 DR組包括DBSR、DBCR0、DBCR1、DAC1、DAC2、DVC1、DVC2、IAC1、IAC2、IAC3、IAC4、ICDBR存放器。 7、定時(shí)器存放器Timer Registers組 TR組包括TCR、TSR、PIT存放器。 8、處置器版本存放器Processor Version Register，PVR PVR 是一個(gè) 32 位只讀存放器，標(biāo)識(shí)處置器的版本和修訂級(jí)別。處置器版本由PowerPC 體系構(gòu)造過(guò)程分配。修訂級(jí)別由實(shí)現(xiàn)定義。

18、需求有特權(quán)才干訪問(wèn) PVR，所以運(yùn)用程序只能在操作系統(tǒng)函數(shù)的協(xié)助下才可以確定處置器版本。 9、基準(zhǔn)時(shí)間存放器Time-Base Register，TBR TBR由TBRH和TBRL存放器構(gòu)成 公用存放器公用存放器SPR組組 SPR組包括組包括SPRG0-SPRG7，SPR 給出處置器中心內(nèi)部給出處置器中心內(nèi)部資源的形狀并對(duì)其進(jìn)展控制。不需求系統(tǒng)效力的支持就可資源的形狀并對(duì)其進(jìn)展控制。不需求系統(tǒng)效力的支持就可以由運(yùn)用程序讀寫(xiě)的以由運(yùn)用程序讀寫(xiě)的 SPR 包括計(jì)數(shù)存放器包括計(jì)數(shù)存放器Count Register、鏈接存放器、鏈接存放器Link Register和整型異常存放和整型異常存放器器Int

19、eger Exception Register。 該部分的I/O接口包括： 1)時(shí)鐘和電源管理接口； 2)CPU控制接口； 3)復(fù)位接口； 4)指令側(cè)的PLB接口； 5)數(shù)據(jù)側(cè)的PLB接口； 6)設(shè)備控制存放器接口； 7)內(nèi)部設(shè)備控制存放器接口； 8)外部DCR總線接口； 9)外部中斷控制器接口； 10)PPC405 JTAG接口； 11)調(diào)試接口； 12)跟蹤接口； 13)處置器版本存放器接口； 14)額外的FPGA指定信號(hào)等。 PowerPC處置器的I/O接口的信號(hào)命名格式為： PREFIX1PREFIX2SIGNAME1SIGNAME2NEG(m:n) PREFIX1,PREFIX2：為

20、大寫(xiě)的前綴，用于標(biāo)識(shí)信號(hào)源。這個(gè)前綴后者是一個(gè)單元比如CPU，或者是一種類(lèi)型的接口比如，DCR。當(dāng)指明的是處置器塊時(shí)，為輸出信號(hào)；否那么為輸入信號(hào)。 下面給出前綴的含義： 1)SIGNAME1：指明信號(hào)的根本功能 2)SIGNAME2：指明信號(hào)的第二個(gè)功能 3)NEG：可選，闡明信號(hào)低有效 4)M:N：可選，闡明是一個(gè)總線信號(hào) 1、CPM接口功能及信號(hào) 時(shí)鐘和電源管理接口clock and power management，CPM接口使能對(duì)電源敏感的運(yùn)用，經(jīng)過(guò)外部邏輯來(lái)控制處置器時(shí)鐘。OCM控制器從處置器核獨(dú)立的提供時(shí)鐘。 此外，Virtex-4器件的PowerPC405處置器也為APU和DC

21、R運(yùn)用獨(dú)立的時(shí)鐘。 PowerPC405的CPM分為三個(gè)時(shí)鐘域： 1)核 2)定時(shí)器 3)JTAG 當(dāng)產(chǎn)生下面的事件時(shí)，處置器從休眠方式被喚醒： 1定時(shí)器中斷或定時(shí)器復(fù)位 2確認(rèn)芯片復(fù)位或系統(tǒng)復(fù)位懇求 3確認(rèn)一個(gè)外部中斷或緊急中斷輸入 4確認(rèn)DBGC405DEBUGHALT芯片輸入信號(hào) 圖3.2給出了CPM接口塊的符號(hào)，表3.1給出了CPM接口I/O信號(hào)的功能描畫(huà)。 運(yùn)用PowerPC405處置器的嵌入式系統(tǒng)的高級(jí)觀念和內(nèi)核銜接總線構(gòu)造包括： 1)PowerPC處置器； 2)處置器本地總線Processor Local Bus，PLB外設(shè)； 3)指令側(cè)和數(shù)據(jù)側(cè)的片上存儲(chǔ)器控制器On-Chip

22、Memory Controller，OCM； 4)設(shè)備控制存放器Device Control Register，DCR外設(shè)； 5)開(kāi)關(guān)構(gòu)造模塊Fabric Co-Processor Module，F(xiàn)CMVirtex-4 下面的時(shí)鐘運(yùn)用與處置器時(shí)鐘一定的比例關(guān)系用于和內(nèi)核塊進(jìn)展通訊：CPMC405CLOCK：主處置器塊時(shí)鐘PLBCLK：根本的PLB I/O總線時(shí)鐘BRAMISOCMCLK：用于指令側(cè)的OCM控制器的參考時(shí)鐘BRAMDSOCMCLK：用于數(shù)據(jù)側(cè)的OCM控制器的參考時(shí)鐘CPMFCMCLK：用于APU控制器的參考時(shí)鐘CPMDCRCLK：用于外部DCR總線的參考時(shí)鐘 PowerPC處置器

23、支持多時(shí)鐘域。運(yùn)用多個(gè)DCM和BUFG元件用來(lái)創(chuàng)建和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘域。時(shí)鐘域包括： 1)PLB時(shí)鐘， 2)FCM時(shí)鐘， 3)DCR時(shí)鐘， 4)OCM時(shí)鐘。 CPU控制接口根本上用來(lái)提供CPU的建立到PowerPC405處置器的信息。 它也用于報(bào)告在PowerPC405處置器內(nèi)的機(jī)器檢查形狀的識(shí)別。 圖3.3給出了CPU控制器接口塊符號(hào)，表3.2給出了CPU控制接口的信號(hào)描畫(huà)。 復(fù)位導(dǎo)致處置器模塊執(zhí)行初始化操作。處置器可以識(shí)別三種類(lèi)型的復(fù)位： 1)處置器復(fù)位：只影響處置器模塊，包括內(nèi)核執(zhí)行單元，緩存單元，DCR和OCM。 2)芯片復(fù)位：影響處置器模塊和其他一切的片上的外設(shè) 3)系統(tǒng)復(fù)位：影響處置器芯片

24、，一切的其它外設(shè)或者與處置器銜接的外部設(shè)備，其影響范圍取決于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上電復(fù)位(POR)是一種方式的復(fù)位。 輸入信號(hào)被提供應(yīng)出理器模塊用于各種復(fù)位類(lèi)型。信號(hào)被用于復(fù)位處置器模塊和在調(diào)試形狀存放器DBSRMRR中，記錄復(fù)位的類(lèi)型。 處置器為每種復(fù)位類(lèi)型產(chǎn)生復(fù)位懇求輸出信號(hào)。 外部的復(fù)位邏輯能處置這些輸出信號(hào)，并且為處置器產(chǎn)生適宜的復(fù)位信號(hào)。 當(dāng)處置器塊懇求復(fù)位時(shí)，并不產(chǎn)生復(fù)位行為。只需當(dāng)外部邏輯確認(rèn)了適宜的復(fù)位輸入信號(hào)后，才發(fā)生復(fù)位行為。 圖3.4給出了復(fù)位接口的塊符號(hào)，表3.3給出了復(fù)位接口的I/O信號(hào)。 指令側(cè)的PLB接口instruction processor local bus，ISP

25、LB使能PowerPC405指令緩存單元instruction cache unit，ICU從與PLB相連的任何存儲(chǔ)器設(shè)備加載讀指令。ICU不能寫(xiě)存儲(chǔ)器。 加載懇求由ICU產(chǎn)生，并且和PLB接口通訊。當(dāng)訪問(wèn)缺失的指令緩存或者訪問(wèn)的存儲(chǔ)器位置是非緩存的，那么產(chǎn)生加載懇求。加載指令由PLB的從設(shè)備經(jīng)過(guò)PLB接口前往到ICU。送到ICU的指令可以是恣意順序的，當(dāng)ICU從PLB從設(shè)備中接納到指令時(shí)，它們被放在ICU填充緩沖區(qū)內(nèi)。 指令側(cè)的PLB接口提供了預(yù)取prefetch和地址流水a(chǎn)ddress pipelining的功能。預(yù)取是指懇求8個(gè)字的緩存行要求，它是按順序跟在當(dāng)前8字取懇求后。ICU能將先

26、前的取指懇求和一個(gè)預(yù)取懇求重疊，這個(gè)過(guò)程就叫做地址流水，使在從設(shè)備正在前往和第一個(gè)地址相關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，第二個(gè)地址能出如今PLB從設(shè)備上。 圖3.5給出了指令側(cè)的PLB接口的塊符 數(shù)據(jù)側(cè)的PLB接口data-side processor local bus，DSPLB使能PowerPC405數(shù)據(jù)緩存單元DCU加載讀從和存儲(chǔ)寫(xiě)數(shù)據(jù)到任何與PLB銜接的存儲(chǔ)器設(shè)備。該接口有一個(gè)公用的32位地址總線輸出，一個(gè)專(zhuān)用的64位讀數(shù)據(jù)總線輸入，一個(gè)公用的64位寫(xiě)數(shù)據(jù)總線輸出。該總線也支持32位的操作。該總線能在每個(gè)PLB周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。 DCU產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問(wèn)懇求，并且經(jīng)過(guò)PLB接口通訊。當(dāng)訪問(wèn)缺失的數(shù)據(jù)緩存或者訪

27、問(wèn)的存儲(chǔ)器位置是非緩存的，那么產(chǎn)生加載懇求。加載指令由PLB的從設(shè)備經(jīng)過(guò)PLB接口前往到DCU。送到DCU的指令可以是恣意順序的，當(dāng)DCU從PLB從設(shè)備中接納到指令時(shí)，它們被放在DCU填充緩沖區(qū)內(nèi)。 DCU能將先前的取指懇求和一個(gè)預(yù)取懇求重疊，這個(gè)過(guò)程就叫做地址流水，使在從設(shè)備正在前往和第一個(gè)地址相關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，第二個(gè)地址能出如今PLB從設(shè)備上。 DSPLB支持非對(duì)齊訪問(wèn)。假設(shè)操作數(shù)超越字邊境或者緩存行邊境，處置器自動(dòng)分解訪問(wèn)非對(duì)齊的操作數(shù)到兩個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)懇求。 圖3.6給出了數(shù)據(jù)側(cè)PLB接口的塊符號(hào)，表3.5給出了數(shù)據(jù)側(cè)PLB接口的信號(hào) 設(shè)備控制存放器device-control registe

28、r,DCR接口提供了一種機(jī)制，用于處置器模塊初始化和控制在同一FPGA芯片上的外設(shè)。比如：為總線接口單元BIU的存儲(chǔ)器傳輸特性和地址分配，可以運(yùn)用DCR經(jīng)過(guò)軟件來(lái)配置。可以運(yùn)用PowerPC的mfdcr和mtdcr指令來(lái)訪問(wèn)DCR存放器。 這些指令所用的尋址不是運(yùn)用存儲(chǔ)器映射的，因此不會(huì)對(duì)OCM/PLB存儲(chǔ)器的尋址產(chǎn)生影響。DCR被定義在10比特，字對(duì)齊的范圍內(nèi)。 存在下面類(lèi)型的DCR接口： 1)PowerPC內(nèi)部的設(shè)備控制存放器接口 2)通用DCR總線接口 3)公用的EMAC DCR總線接口Virtex-4 FX PowerPC處置器塊包含了一些內(nèi)部的DCR，這些DCR能用于為處置器塊內(nèi)的功

29、能單元控制，配置，堅(jiān)持形狀。這些DCR運(yùn)用內(nèi)部的DCR總線訪問(wèn)，它與外部的DCR總線訪問(wèn)的DCR存放器共享地址范圍。 在Virtex-II Pro和Virtex-4 FX處置器中均有下面兩個(gè)包含DCR控制器的功能單元： 1數(shù)據(jù)側(cè)的OCM控制器DSOCM，包含DSCNTL和DSARC存放器 2指令側(cè)的OCM控制器ISOCM，包含ISCNTL，ISARC，ISINIT和ISFILL存放器 除此之外，在Virtex-4 FX處置器中還包含下面兩個(gè)包含DCR控制器的功能單元： 1APU控制器，包含APUCFG和UDICFG控制器 2以太網(wǎng)MAC DCR總線接口與硬件EMAC控制器固定銜接包含RDYst

30、atus，cntlReg，dataRegLSW和RegMSW存放器。表3.6給出了DCR地址偏移量 內(nèi)核銜接內(nèi)核銜接coreconnect總線外設(shè)的總線外設(shè)的DCR接口組成包括以下：接口組成包括以下： 1)10比特的地址總線比特的地址總線 2)獨(dú)立的獨(dú)立的32位輸入和輸出數(shù)據(jù)總線位輸入和輸出數(shù)據(jù)總線 3)獨(dú)立的讀和寫(xiě)控制信號(hào)獨(dú)立的讀和寫(xiě)控制信號(hào) 4)一個(gè)讀一個(gè)讀/寫(xiě)應(yīng)對(duì)信號(hào)寫(xiě)應(yīng)對(duì)信號(hào) 此外，在Virtex-4 FX器件有一個(gè)時(shí)鐘相關(guān)的CPMDCRCLK接口DCR較較喜歡的實(shí)現(xiàn)方式是作為一個(gè)分布的，復(fù)用的鏈。鏈上的每一個(gè)外設(shè)的DCR數(shù)據(jù)輸入和前一個(gè)鏈上的外設(shè)的DCR數(shù)據(jù)輸出銜接。 圖3.7給出了

31、Virtex-II Pro外部DCR接口的塊符號(hào)。表3.7給出了外部DCR接口的信號(hào)。 Virtex-4的信號(hào)與Virtex-II Pro信號(hào)功能一樣，不同的是Virtex-4 FX信號(hào)名字的前綴是EXTD，不是C405。 圖3.8給出了DCR鏈的構(gòu)造圖。 PowerPC嵌入式環(huán)境構(gòu)造定義了兩類(lèi)中斷：緊急和非緊急的。 用于處置外部緊急中斷的中斷句柄在異常向量偏移0 x100的地方。 用于處置外部非緊急中斷的中斷句柄在異常向量偏移0 x200的地方。 當(dāng)同時(shí)發(fā)生這兩類(lèi)中斷時(shí)，處置器將優(yōu)先處置緊急中斷。緊急中斷運(yùn)用SRR2和SRR3存放器，非緊急中斷運(yùn)用SRR0和SRR1存放器。緊急中斷可以打斷一

32、個(gè)非緊急中斷句柄。 四處置器的外部邏輯可以用來(lái)產(chǎn)生這兩類(lèi)中斷。外部中斷控制器(External Interrupt Controller，EIC)來(lái)管理中斷源。一旦外部中斷懇求被確認(rèn)，EIC必需堅(jiān)持信號(hào)被確認(rèn)，直到軟件不在確以為止。這通常是寫(xiě)入到EIC外設(shè)邏輯的DCR來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 經(jīng)過(guò)運(yùn)用MSR存放器內(nèi)的比特位，軟件能使能/制止外部中斷： 1MSREE控制非緊急中斷。寫(xiě)1使能，否那么制止。 2MSRCE控制緊急中斷。寫(xiě)1使能，否那么制止。 圖3.9給出了EIC接口塊符號(hào)，表3.8給出了EIC接口的信號(hào) powerPC405有一個(gè)有一個(gè)JTAG接口用于支持軟件調(diào)試。許多調(diào)試接口用于支持軟件調(diào)試。許

33、多調(diào)試器，比如器，比如IBM的的RISCWatch，Wind River的的SingleStep和和Xilinx EDK的的GNU調(diào)試器，都運(yùn)用了調(diào)試器，都運(yùn)用了JTAG接口。接口。 象其它象其它PPC405的信號(hào)一樣，設(shè)計(jì)者也要定義的信號(hào)一樣，設(shè)計(jì)者也要定義JTAG接口到外部接口到外部的銜接。由于這些銜接只能經(jīng)過(guò)可編程的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)，因此在的銜接。由于這些銜接只能經(jīng)過(guò)可編程的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)，因此在PPC405 JTAG接口運(yùn)用前，必需配置接口運(yùn)用前，必需配置FPGA。 PPC405的JTAG可以經(jīng)過(guò)FPGA本身的JTAG端口連接，也可經(jīng)過(guò)可編程的I/O銜接。至于采用什么銜接方式，取決于軟件調(diào)試器的要求

34、。 圖3.10給出了JTAG接口塊符號(hào)，表3.9給出了JTAG接口的信號(hào)描畫(huà)。 2、經(jīng)過(guò)公用的芯片JTAG邏輯銜接PPC405 JTAG邏輯 另一種方法是運(yùn)用芯片公用的JTAG引腳將多個(gè)PPC405和JTAGPPC經(jīng)過(guò)JTAG鏈銜接到一同。 調(diào)試器接口使能一個(gè)外部的調(diào)試器工具，在外部調(diào)試方式下來(lái)操作PowerPC405處置器調(diào)試資源。 該方式能改動(dòng)一個(gè)程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且提供了調(diào)試系統(tǒng)硬件和軟件的才干。該方式支持處置器的啟動(dòng)和停頓，單步指令的執(zhí)行，設(shè)置斷點(diǎn)和監(jiān)視處置器形狀。 圖3.11給出了調(diào)試接口的塊符號(hào)，表3.10給出了調(diào)試接口的信號(hào)描畫(huà)。 當(dāng)處置器任務(wù)在實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試方式時(shí)，運(yùn)用跟蹤接口。該方

35、式支持實(shí)時(shí)跟蹤處置器所執(zhí)行的指令流。在這種方式下，調(diào)試事件用來(lái)引起外部觸發(fā)事件。一個(gè)外部的跟蹤工具運(yùn)用觸發(fā)器事件來(lái)控制跟蹤信息的搜集。在跟蹤接口上的跟蹤信息的廣播將獨(dú)立引起外部觸發(fā)事件。實(shí)時(shí)跟蹤模式不影響處置器性能。 實(shí)時(shí)跟蹤方式總是使能。然而，只需當(dāng)內(nèi)部調(diào)試方式和外部調(diào)試方式制止時(shí)，才干產(chǎn)生觸發(fā)器事件。當(dāng)使能調(diào)試時(shí)，將阻塞觸發(fā)器事件。 圖3.12給出了跟蹤調(diào)試塊符號(hào)，表3.11給出了跟蹤調(diào)試接口的信號(hào) Virtex-4 PowerPC塊提供用戶(hù)訪問(wèn)處置器版本存放器Processor Version Register，PVR中8比特的功能。 其中一個(gè)目的是在多處置器系統(tǒng)中識(shí)別不同的處置器，或者

36、編碼一些處置器環(huán)境不同的描畫(huà)，使類(lèi)屬代碼可以基于這個(gè)編碼來(lái)調(diào)整其運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖3.13給出了PVR接口的塊符號(hào)，表3.12給出了PVR接口的I/O信號(hào)。 圖3.14給出了額外的FPGA信號(hào)的接口塊符號(hào)，表3.13給出了額外I/O信號(hào)的功能 片上存儲(chǔ)器On-Chip Memory，OCM控制器是一個(gè)公用的接口，用于銜接FPGA的BRAM和PPC405核的OCM信號(hào)。OCM控制器提供了非緩存的對(duì)指令側(cè)和數(shù)據(jù)側(cè)存儲(chǔ)器空間的訪問(wèn)。 數(shù)據(jù)側(cè)的接口支持32位雙向的存儲(chǔ)器空間，指令側(cè)的接口支持64位單向德存儲(chǔ)器空間。不象PLB接口，OCM控制器不需求總線仲裁來(lái)訪問(wèn)FPGA的構(gòu)造fabric資源。 在Virtex

37、-II Pro中，DSOCM和ISOCM控制器設(shè)計(jì)與BRAM以固定延遲目的接口。 在Virtex-4中，DSOCM控制器有一個(gè)加強(qiáng)的特性經(jīng)過(guò)額外的信號(hào)來(lái)支持存儲(chǔ)器映射的外設(shè)。 下面給出OCM控制器的特點(diǎn)，首先引見(jiàn)DSOCM和ISOCM的特點(diǎn)，然后再分別引見(jiàn)各自獨(dú)有的特點(diǎn)。 1DSCOM和ISOCM的共同特點(diǎn) 在FPGA內(nèi)的處置器塊和BRAM之間，存在獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，在指令側(cè)和數(shù)據(jù)側(cè)接口到外部存儲(chǔ)器之間不需求PLB仲裁。 公用的接口到DCR總線，用于ISOCM和DSCOM控制器。在處置器塊內(nèi)的公用的DCR總線循環(huán)用于OCM控制器。 在DSOCM和ISOCM控制器內(nèi)的FPGA可配置的D

38、CR寄存器地址。 為DSOCM和ISOCM分配了獨(dú)立的16MB的邏輯存儲(chǔ)器空間。 為指令側(cè)和數(shù)據(jù)側(cè)接口提供了多周期方式選擇。多周期操作運(yùn)用N:1的處置器到BRAM的比例系數(shù) Virtex-4可選擇的自動(dòng)時(shí)鐘比例檢測(cè)，消除了必需編程控制比例系數(shù)的操作 2DSCOM的特點(diǎn) 32比特的讀數(shù)據(jù)總線和32位的寫(xiě)數(shù)據(jù)總線 支持字節(jié)寫(xiě)訪問(wèn)DSBRAM雙端口DSBRAM的第二個(gè)端口可用于從FPGA接口讀/寫(xiě)操作到DSBRAM端口的22位地址DCR存放器：DSCNTL，DSARCVirtex-4支持為讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)傳輸可變的延遲 3ISOCM的特點(diǎn) ISOCM接口包含64位只讀端口用于指令加載和32位讀/寫(xiě)端口來(lái)初

39、始化或測(cè)試ISBRAM。 64位只讀數(shù)據(jù)總線2個(gè)BRAM周期 對(duì)于Virtex-II Pro，運(yùn)用DCR指令的32位寫(xiě)總線；對(duì)Virtex-4，運(yùn)用DCR指令的32位讀和寫(xiě)總線分別的21位到ISBRAM的只讀和只寫(xiě)地址 DCR存放器：ISCNTL，ISARC，ISINIT，ISFILL 兩個(gè)可用方法來(lái)設(shè)置ISBRAM內(nèi)容：運(yùn)用DCR來(lái)訪問(wèn)32位數(shù)據(jù)寫(xiě)總線在FPGA配置時(shí)，初始化ISBRAM OCM控制器分成兩塊，一塊用于ISOCM接口，另一塊用于DSOCM接口。圖3.15給出了OCM控制器接口。 1)在DSOCM中有DSARC和DSCNTL兩個(gè)存放器； 2)在ISOCM中有ISARC，ISCN

40、TL，ISINIT和ISFILL四個(gè)存放器。 在運(yùn)用DSOCM/ISOCM存放器前，DSARC/ISARC，DSCNTL/ISCNTL控制存放器必需被初始化。有兩種方法來(lái)初始化這些存放器： 1) 運(yùn)用DCR匯編指令mtdcr，mfdcr訪問(wèn)一切六個(gè)OCM控制存放器。 2) 在處置器模塊指定相關(guān)的輸入端口。 ISINIT/ISFILL存放器用于指令側(cè)的OCM存儲(chǔ)器的內(nèi)容初始化和軟件調(diào)試。 1在Virtex-II pro，在系統(tǒng)初始化時(shí)，運(yùn)用ISINIT和ISFILL存放器，允許處置器寫(xiě)指令到ISOCM存儲(chǔ)器陣列 2在Virtex-4，運(yùn)用ISINIT和ISFILL存放器，允許處理器寫(xiě)/讀指令到I

41、SOCM存儲(chǔ)器陣列 2、DSOCM控制器加載/存取操作 DSOCM控制器，在一個(gè)加載指令時(shí)，接受來(lái)自處置器的一個(gè)地址和相關(guān)的控制信號(hào)，然后傳送一個(gè)有效的地址到DSOCM的FPGA構(gòu)造或BRAM接口。對(duì)于存取指令，來(lái)自處置器的有效地址，伴隨著存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)的控制信號(hào)。DSOCM控制器在地址最高8位執(zhí)行指令譯碼來(lái)確定是加載/存儲(chǔ)指令。 對(duì)于DSOCM銜接非存儲(chǔ)器外設(shè)，設(shè)計(jì)者必需知道OCM特定的行為：執(zhí)行重排序和旁路存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 3、ISOCM控制器取指操作 在取指周期，ISOCM控制器接受來(lái)自處置器的一個(gè)地址和相關(guān)的控制信號(hào)，并將有效地址傳送到ISOCM接口。在FPGA配置時(shí)，存儲(chǔ)在BRAM的指令能

42、加載到ISOCM。可用的其它方法是，運(yùn)用DCR總線上的ISINIT和ISFILL存放器，處置器能加載ISOCM空間。 這兒存在從處置器塊到訪問(wèn)指令側(cè)存儲(chǔ)器的兩個(gè)數(shù)據(jù)通路： 主64位只讀端口用于指令加載。由于該端口為64位寬度，所以一次可以取出兩條指令 第2個(gè)32位端口用于存儲(chǔ)器初始化和軟件調(diào)試。 圖3.16(a)給出了Virtex-4 DSOCM接口圖，圖3.16(b)給出了Virtex-II pro DSOCM接口圖。 圖3.17(a) 給出了Virtex-II pro ISOCM接口圖，圖3.16(b) 給出了Virtex-4 ISOCM接口 圖3.18給出了DSOCM接口和BRAM的銜接

43、關(guān)系。 運(yùn)用程序讀/寫(xiě)訪問(wèn)OCM控制器內(nèi)的DCR存放器。一般運(yùn)用匯編指令mtdcr和mfdcr來(lái)完成對(duì)DCR控制存放器的訪問(wèn)。3.3.3.1 OCM的存放器1、DSARC/ISARC存放器該存放器定義了ISOCM和DSOCM存儲(chǔ)器位置的最高8位。 1、DSARC/ISARC存放器 該存放器定義了ISOCM和DSOCM存儲(chǔ)器位置的最高8位。 2、DSCNTL存放器 表3.14給出該存放器的含義 3、ISCNTL存放器 含義和DSCNTL根本一樣。 ISINIT為22位的存放器，映射到DCR寫(xiě)數(shù)據(jù)總線D8-D29位。存儲(chǔ)器接口的寫(xiě)地址為A8-A29，A29用來(lái)控制ISOCMBRAMMODDWRIT

44、EEN和ISOCMBRAMEVENWRITEEN信號(hào)。每當(dāng)ISFILL存放器被寫(xiě)時(shí)，32位的指令就寫(xiě)到了BRAM中。 1、假設(shè)讀取ISINIT存放器 1對(duì)于Virtex-II pro，A8-A29映射到讀數(shù)據(jù)總線的D0-D21位 2對(duì)于Virtex-4，假設(shè)ISENTL設(shè)置為1，A8-A29映射到讀數(shù)據(jù)總線的D8-D29位。假設(shè)ISENTL設(shè)置為1，與Virtex-II pro一樣 2、假設(shè)讀取ISFILL存放器 1對(duì)于Virtex-II pro，保管在ISFILL存放器的內(nèi)容將返回作為DCR讀數(shù)據(jù) 2對(duì)于Virtex-4，假設(shè)ISCNTL的第2位設(shè)置為1，被ISINIT存放器尋址的ISOCM

45、的真正的內(nèi)容將要被加載，否那么保管在ISFILL存放器的內(nèi)容將前往作為DCR讀數(shù)據(jù)。 輔助處置器單元Auxiliary Processor Unit，APU控制器允許設(shè)計(jì)者運(yùn)用定制的指令來(lái)擴(kuò)展PPC405本身的指令集。 這些定制的指令集被FPGA構(gòu)造協(xié)處置器模塊Fabric Co-processor Module，F(xiàn)CM執(zhí)行。這使得在特定運(yùn)用程序函數(shù)和處置器流水之間有更嚴(yán)密的集成。 圖3.19給出了PPC405，APU控制器和FCM模塊之間的流水線流程。 APU的兩個(gè)功能： 1在PowerPC時(shí)鐘和FCM接口時(shí)鐘之間進(jìn)展同步； 2解碼FCM指令，并且通知CPU所需求的CPU資源。 一個(gè)浮點(diǎn)單元

46、FPU是FCM的一個(gè)很好的例子。在FCM FPU情況下，APU控制器能解碼一切的PowerPC浮點(diǎn)指令。 APU控制器或者FCM能完成FCM指令解碼。 在運(yùn)用APU控制器前，必需配置PowerPC MSR存放器。表3.15給出了與APU相關(guān)的MSR位域。 1自治指令 這類(lèi)型的指令不妨礙PowerPC流水線。它們是典型的發(fā)射后不論指令，即不需求前往任何形狀或數(shù)據(jù)給處置器流水線。比如一個(gè)用戶(hù)定義的UDI_FCM_Read指令，F(xiàn)CM存放器加載GPR存放器組中其中一個(gè)存放器的值，但不返回任何值給處置器。 2非自治指令 這類(lèi)型的指令將妨礙PowerPC流水線的指令執(zhí)行，直到FCM指令執(zhí)行完為止。對(duì)于希

47、望前往一些形狀或者數(shù)據(jù)給PPC處置器的指令來(lái)說(shuō)，運(yùn)用這類(lèi)型的指令。 比如一個(gè)用戶(hù)定義的UDI_FCM_Write指令，F(xiàn)CM寄存器取出數(shù)據(jù)，并將其寫(xiě)到GPR存放器組中其中一個(gè)寄存器。 1阻塞指令 任何非自治指令不能被預(yù)測(cè)放棄和重新發(fā)布，處置器不能阻止FCM的執(zhí)行。 一旦在PPC流水線內(nèi)阻塞指令完成第一個(gè)執(zhí)行周期，一切到PPC的中斷和異常被阻塞，這樣就不會(huì)阻止指令的完成。 2非阻塞指令 非塊指令允許處置器終止FCM的執(zhí)行，效力中斷程序和異常，隨后重新發(fā)布被終止的有可預(yù)見(jiàn)結(jié)果的指令。 3、指令格式 圖3.20給出了FCM指令格式。 普通說(shuō)，PowerPC處置器運(yùn)用根本和擴(kuò)展op碼來(lái)識(shí)別潛在的FCM指令。 op碼被APU控制器或者FCM譯碼。 對(duì)于一切的預(yù)定義指令，RA和RB域指定操作數(shù)存放器，RT域指定目的存放器。 用戶(hù)定義的指令user-defined instruction，DUI能被配置來(lái)識(shí)別這些比特位。表3.16給出了APU操作碼。根本操作碼擴(kuò)展操作碼描畫(huà)0(=0b000000)0b00000000000非法除了以上一切可用于UDI，不設(shè)置PPC405CR位4(=0b000100)0b-1-0-MAcc和Xilinx保管0b1-000110可用于UDI，需求設(shè)置PPC405CR位除了以上一切可用于U