面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器系統(tǒng)設計

雷宇++劉佳

【摘 要】航電系統(tǒng)正朝著高度綜合化的方向發(fā)展，越來越多的模塊被集成在單一系統(tǒng)中，隨之帶來了面積、功耗過大以及板間布線復雜的問題。航電系統(tǒng)綜合化、小型化和低功耗的需求以及工藝水平的提升，為單芯片集成多處理器內核的設計提供了支撐。本文提出一種面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器系統(tǒng)設計方案，首先對雙核處理器系統(tǒng)架構進行描述，在此基礎上詳細分析了總線互連、復位策略、存儲一致性等關鍵技術。該方案可廣泛應用于高度綜合化航電系統(tǒng)設計領域。

【關鍵詞】Power架構；雙核；總線互連；存儲一致性

引言

航電系統(tǒng)目前正在向高度綜合化方向發(fā)展[1]，大量的紅外、射頻、信號處理、數字處理模塊[2]被綜合到一個系統(tǒng)，這對航電系統(tǒng)的性能、帶寬、功耗、散熱提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。將多模塊集成為單芯片，能夠大幅度減少元器件種類和板間連接器，有效解決面積、功耗和散熱等問題。因此采用面向綜合化航電系統(tǒng)的專用單芯片雙核處理器設計成為絕佳的解決方案[3]。

PowerPC是一種精簡指令集（RISC）架構的中央處理器，以其優(yōu)異的性能、較低的能耗以及較低的散熱量被廣泛應用于嵌入式環(huán)境[4]。本文提出面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器系統(tǒng)設計方案，內部集成兩個高性能PowerPC處理器，主處理器負責數據處理，從處理器負責FC-ASM協(xié)議[5]處理。主、從處理器之間通過DDR2存儲器交換數據。本文對基于Power架構的雙核乃至多核處理器開發(fā)具有一定的參考價值。

1.面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器架構設計

根據主、從處理器的功能劃分，提出面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器架構設計。主處理器集成了PCIe、SRIO主機接口和DDR2控制器，同時對FC-ASM協(xié)議處理模塊開放一個高速數據接口，提供了一條主機——DDR2存儲器——FC-ASM協(xié)議處理模塊之間的數據處理高速通道。從處理器對FC-ASM協(xié)議處理模塊開放一個配置接口，提供了初始化以及寄存器配置通道。主、從處理器通過外部存儲復用接口訪問片外FLASH，片外FLASH存放著處理器上電所需的初始化程序。

2.總線互連

主、從處理器以及周邊模塊之間通過PLB4總線[6]進行互連。PLB4總線是高性能數據總線，用于在高速主、從設備之間進行讀數據和寫數據的快速交換。PLB4總線包含64位地址線、128位數據線。每一個PLB主設備通過獨立的地址線、寫數據線、讀數據線和控制信號連接到PLB4總線上；而每一個PLB從設備通過共享的地址線、讀數據線、寫數據線、控制和狀態(tài)信號連接到PLB4總線上。各個設備對PLB總線的訪問是通過一個集中的總線仲裁器來完成總線控制的分配。

考慮到PCIe、SRIO主機接口與FC-ASM協(xié)議處理模塊之間需要通過DDR2存儲器交換大量數據，因此在主處理器PLB0總線上只分配DDR2控制器一個從設備；其余從設備被分配在主處理器的PLB1總線上。兩條相對獨立的數據通路：PCIe、SRIO、FC-ASM協(xié)議處理模塊與DDR2存儲器之間的FC通信數據通路；主處理器與FLASH存儲之間的程序加載數據通路[7]。

從處理器對冗余的周邊模塊進行裁剪，只保留了與處理器核和FC-ASM模塊正常工作相關的模塊。

3.復位策略

復位分為硬件復位、軟件復位和看門狗復位三種方式[8-9]，其中主處理器和從處理器具有獨立的軟件復位和看門狗復位。硬件復位結束后，主處理器開始初始化并從外部FLASH加載程序[10～12]，待主處理器程序加載完成后，從處理器開始初始化并從外部FLASH加載程序。

4.存儲一致性信號量方案

主、從處理器之間通過DDR2存儲器交換數據，為了保證存儲一致性[13～14]，本文提出了一種信號量的解決方案。主、從處理器共享一個信號量寄存器。如果從處理器要對DDR2存儲器進行訪問，應先讀取信號量寄存器，如果寄存器值為“0”，表明主處理器正在對DDR2存儲器進行訪問。主處理器完成對DDR2存儲器的訪問后，對信號量寄存器進行寫操作，寫操作會將信號量寄存器主處理器端置“0”，從處理器端置“1”。從處理器讀取到信號量寄存器值為“1”后，表明從處理器可以發(fā)起對DDR2存儲器的訪問。信號量解決方案提供了主、從處理器對共享的DDR2存儲器的互斥操作機制，保證了存儲一致性。

5.總結

本論文提出了面向綜合化航電系統(tǒng)的Power架構雙核處理器系統(tǒng)設計方案，詳細論述了架構設計、總線互連、復位策略、存儲一致性設計。本論文面向航電系統(tǒng)特定應用，將多模塊集成到單片，有效解決了原系統(tǒng)存在的面積、功耗、散熱、布線復雜等問題。本文對基于Power架構的雙核乃至多核處理器開發(fā)具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]李成文，李鵬，湛文韜，何小亞，劉宇，高楊.一種小型化高性能綜合處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).航空計算技術，2014.44（4）：121-125.

[2]航電系統(tǒng)向深度和廣度發(fā)展.www.baidu.com.1MPC8641DIntegrated Host ProcessorFamily Reference Manual.Freescale.2008.

[3]潘越，宋萍，李科杰.基于PowerPC和FPGA的小型無人直升機飛行控制計算機系統(tǒng)設計.計算機測量與控制.2013.21（1）：112-115.2FIBRE CHANNELAVIONICS ENVIRONMENT–ANONYMOUS SUBSCRIBER MESSAGING（FC-AE-ASM）.INCITS，2006.

[4]128-bit Processor Local Bus Architecture Specifications. IBM， 2004.3PPC464-H90 Embedded ProcessorCore Support Manual.IBM，2007.

[5]林學龍.MPC8xx系列處理器的嵌入式系統(tǒng)復位電路設計.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用.2005.4：80-83.

[6]王勇.基于MPC8641D處理器的對稱多處理技術研究.信息與電腦.2010.5：22-23.

[7]周洪，沈華.基于MPC8640處理器的通用處理模塊硬件設計.電腦知識與技術.2014.10（20）：4922-4925.

[8]許偉，馮萍，郭海山.光纖通道交換網絡接口卡的零拷貝技術研究與實現(xiàn)計算機測量與控制.2008.16（3）：366-369.

[9]王長清，岑凡，蔡惠智.基于PowerPC架構多核處理器嵌入式系統(tǒng)硬件設計.微計算機信息.2010.26（6-2）：6-7.

[10]陳海榮.基于雙核PowerPC處理器的高性能計算模塊設計.計算機測量與控制.2011.19（11）：2824-2827.

[11]劉麗君，賀占莊，李灝.基于PowerPC的嵌入式系統(tǒng)硬件設計[J].計算機技術與發(fā)展，2008，（2）：251，253.