王樹爭

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、航天等應用領域的應用，對PowerPC處理器進行了分類介紹。

關鍵詞：嵌入式處理器；PowerPC；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TN911.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0013-02

1 概述

嵌入式系統(tǒng)的市場日益廣闊，嵌入式處理器作為嵌入式系統(tǒng)的關鍵部件，得到廣泛應用。PowerPC處理器在嵌入式處理器中占據(jù)重要地位，PowerPC處理器架構的特點是方便靈活，可伸縮性好。PowerPC處理器種類很多，在消費類電子產(chǎn)品、大型通信設備、高端的工作站、服務器、桌面計算機系統(tǒng)都有應用，應用范圍極其廣泛。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微碼控制方式，而是在硬件中直接執(zhí)行一組精選的簡單指令和優(yōu)化的編譯程序，以便有效的利用CPU資源來提高程序的運行速度。PowerPC是Performance Optimized With Enhanced RISC-Performance Computing的縮寫，簡稱PowerPC為PPC。PowerPC系列處理器的基本設計源自IBM公司的POWER架構，但進行了大量的改動。例如，POWER系列是大尾段設計，而Power PC系列是open-endian設計；另外，Power PC提供更強的多線程處理能力和浮點處理能力?？傮w而言，Power PC和POWER的CPU并無太大的差別，Power PC保留了POWER的絕大部分指令，許多應用程序只需重新編譯，就可以分別運行在兩個平臺上。

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

2 Freescale的PowerPC系列

Freescale公司成立于2004年，由Motorola公司分離處出來成立的公司，F(xiàn)reescale一直是處于全球領先的半導體公司，為規(guī)模龐大、增長迅速的市場提供嵌入式處理產(chǎn)品和連接產(chǎn)品，主要為汽車、網(wǎng)絡、無線通信、工業(yè)控制和國防等行業(yè)提供產(chǎn)品。Freescale在2015年被NXP公司收購，PowerPC處理器在Freescale公司時期，得到迅速發(fā)展。目前PowerPC產(chǎn)品策略，定位于3個領域市場：汽車電子、網(wǎng)絡設備和工業(yè)控制。

2.1 PowerQUICC

PowerQUICC是Freescale公司幾個微處理器的電源架構的名稱，是IBM的PowerPC和Freescale 的PowerPC的最重要的區(qū)別。PowerQUICC圍繞一個或多個PowerPC內(nèi)核和QUICC引擎，具有一個獨立的RISC核心，專門從事I/O通信、ATM、安全加速、網(wǎng)絡和USB等任務。PowerQUICC處理器廣泛應用于網(wǎng)絡、汽車、工業(yè)、消費類電子產(chǎn)品中。在1993年，摩托羅拉生產(chǎn)了第一顆包含QUICC架構的芯片MC68360。在1995年，MPC860芯片面市，標志著通信處理器時代的開始。MPC860芯片實現(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)通路分開的思想。此后，基于PowerQUICC架構的芯片也不斷升級發(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)展而來的603E在PowerPC內(nèi)核上升級不大，主要增強了存儲器管理單元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，結構基本一致。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)核包含兩個版本V1 和V2，兩個版本內(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，主要應用于高性能計算處理。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理論上需要通過橋接器與外部設備進行連接，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）的Tsi107和Tsi109。

（1）PowerPC 6XX系列。PowerPC 601是Power PC 600系列中的第一款，它的目標是讓PowerPC架構盡快地占領市場，其時鐘速度為80MHz，每個時鐘周期執(zhí)行2條指令。PowerPC 6XX系列下一個芯片是603，是低端、低功耗的處理器，大量使用在便攜機和汽車上。還有PowerPC 604，時鐘速度為100MHz，每個時鐘周期執(zhí)行4調(diào)指令，隨之的是“加強版”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，工作頻率達到400MHz。PowerPC750處理器是第一款銅導線處理器，實現(xiàn)了分開的指令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結構的向量處理技術，用于擴充PowerPC體系結構，AltiVec執(zhí)行單元擁有自身的寄存器文件，共有32個128位的寄存器。矢量的裝入和存儲會影響全部128位，每個AltVec指令具有3個源操作數(shù)和一個目的地。包含AltiVec架構的處理器芯片，數(shù)據(jù)吞吐量更大，超過了Intel的MMX芯片。

2.3 Power QorIQ

QorIQ通信平臺是Freescale的 PowerQUICC通信處理器的下一代演進產(chǎn)品。Power QorIQ系列有5個不同的產(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、通用控制和無線局域網(wǎng)接入點等。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。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、軍工等。P2系列屬于中端產(chǎn)品，運行在800MHz～1200MHz，用于替代PowerQUICC II Pro和PowerQUICC III平臺。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1.5GHz，能運行在-40～125°C，特別適合苛刻條件下的應用，廣泛應用于航空、航天、國防領域。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和路由器。P3系列提供了多核平臺，每個內(nèi)核主頻達到1.5GHz。P3系列集成了1.3GHz的64-bit DDR3 SDRAM控制器，數(shù)量達到18個的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)級交換機，屬于高端產(chǎn)品。支持8個e500mc核心，每個核主頻達到1.5GHz。P4系列的典型產(chǎn)品為P4080，包含了8個e500mc內(nèi)核。（5）P5系列。P5系列主要面向高性能應用，內(nèi)核采用高性能的e5500核心，e5500為64bit，頻率可達2.5GHz。P5系列典型產(chǎn)品為P5010、P5020和P5040。P5010包含1個e5500內(nèi)核，P5020包含2個e5500核心，主頻都為2.0GHz。P5040包含4個e5500核心，主頻為2.2GHz，性能高達3.0 DMIPS/Hz。

2.4 QorIQ AMP系列

T系列為PowerPC目前最高端的處理器，主要應用于高性能、小規(guī)格、高能效網(wǎng)絡和工業(yè)應用領域。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，主要應用于低成本、高性能領域。E5500內(nèi)核主頻可達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，主要應用于成本和性能兼顧的領域。e6500內(nèi)核為雙線程，集成AltiVec技術向量處理單元，主頻可達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，主要應用于高性能領域。T4系列主頻為1.5～1.8GHz，T4080集成4個e6500內(nèi)核，典型功耗為20W；T4240更是集成了12個e6500內(nèi)核，可達24個線程，典型功耗為36W。T4系列典型產(chǎn)品為T4080、T4240。

3 結語

PowerPC以極具吸引力的性價比、擴大的運行溫度范圍、多處理功能、高集成度等優(yōu)勢，為嵌入式應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領域，在國內(nèi)外知名企業(yè)的廣泛應用。未來四五年內(nèi)，在嵌入式產(chǎn)品中，PowerPC的應用面和市場場占有率會有一個增加的變化。