飞思卡尔与PowerPC介绍

PowerPC

1.1 PowerPC 简介

PowerPC，最初的含义却不是「Power」，而是 Performance Optimized With Enhanced RISC，PC指的是 Performance Computing。

Power PC 处理器架构的亮点是开放，它公开了指令集，允许任何厂商设计 Power PC 的兼容处理器、Power PC 的一些软件的源代码可以从网络上下载到，Power PC 的内核也非常小，可以在同一芯片上安置许多其他的辅助电路，例如缓存、协处理器，大大增加了芯片的灵活性。

目前，主流的 PowerPC 处理器制造商有 IBM、Freescale （原摩托罗拉半导体部,现已与荷兰NXP合并）、AMCC、LSI（已被Avago收购）等。其中以 IBM 和 Freescale 的 PowerPC 处理器最为流行。

1.2 Power ISA

Power ISA 是 Power 架构对应的指令集，最初是现已解散的 power.org 组织开发，现由 IBM 领导的 OpenPOWER 基金会继续发展。Power ISA 继承并发展 PowerPC ISA，其由核心 PowerPC ISA 和可选的嵌入式应用程指令合并而成。

在2006年，这两个部分由 power.org 创始者IBM 和飞思卡尔半导体领导合并。Power ISA 分为几个不同的子集，每个指令都被定义为一个子集的一部分。不同型号的处理器只实现了一组指令子集，例如服务器类处理器包括子集 Base、Server、Floating-Point、64-Bit 等，所有处理器都实现了 Base 子集。

1.3 Freescale PowerPC

IBM PowerPC 广泛应用于服务器等高性能应用场景，而 Freescale PowerPC 最重要的应用是汽车电子等嵌入式场景。Freescale 公司提供了数量众多的含集成化外设的 PowerPC 处理器，在网络设备市场取得了非常可观的成功。目前 Freescale 公司已经调整其 PowerPC 产品策略，将其划分成3个主要市场：网络设备、汽车电子(MPC5xx系列)和工业控制。

Freescale PowerPC 基于 EIS Architecture，EIS 是the Freescale Embedded Implementation Standards 的缩写。EIS Architecture 对 Power 架构来说更像是一种分支。

指令集是架构的重要组成部分，Freescale PowerPC 的指令集与 Power ISA 之间基本相同，但硬件组成与应用场景不同致使依赖于硬件实现的指令子集不同。

EIS Architecture 的指令集是 Power ISA 的子集。下表是这两者的对应关系：

PowerISA 有v2.3-v2.7、v3.0、v3.1七个版本，目前最新的 PowerISA 是2020年发布的v3.1版本。

1.4 Freescale主要产品系列

Freescale PowerPC 在通讯领域的成功，很可能要归功于 PowerQUICC 处理器，这也是 IBM 的 PowerPC 和 Freescale 的 PowerPC 的最重要的区别。将 QUICC(Quad Integrated Communications Controller) 和 PowerPC 内核结合的 PowerPC 处理器称为 PowerQUICC 处理器。

自1995以后 PowerQUICC 一路升级，从 PowerQUICC I 到 PowerQUICC II ，再到 PowerQUICC III 和 PowerQUICC II pro 。目前， Freescale 将 CPM 升级为 QE(QUICC Engine)。

伴随 PowerQUICC 的升级，Freescale PowerPC 内核也在升级。

603内核系列：MPC850、MPC860、MPC875、MPC885 等，目前是最低端的 Freescale PowerPC 处理器。这类 PowerPC 处理器没有包含 SDRAM 接口，用户必须使用 MPC860 提供的 UPM(USER Programmable Machines) 配置成 SDRAM 接口。603内核配合 PowerQUICC I。

603E内核系列：MPC8250、MPC8260、MPC8272等。从 PowerPC 内核的角度看，603到603E的升级不大，主要是 MMU 上，此外包含了 SDRAM 控制器。603E内核配合 PowerQUICC II。

E300内核系列：MPC8349、MPC8347、MPC8360等。E300系列与603E系列结构基本一致，在处理器内核上的修改不多。QE最先在MPC8360上实现，此外支持 DDR SDRAM 接口。E300内核配合 PowerQUICC II pro。

E500内核系列：包括 MPC8540、MPC8560、MPC8548 等。E500内核共有V1 、V2两个版本。V1版本和V2版本的最大区别在于MMU。基于E500内核的 PowerPC 处理器是 Freescale 高端处理器的发展方向。E500 内核和603E有很大的不同，只有指令系统是兼容的，其他内核组件都不相同。E500 内核支持 DDR SDRAM，RapidIO 和千兆以太网接口。E500 内核配合 PowerQUICC III。

E600内核系列：也称为G4，包括 MPC7410，MPC7447，MPC7448，MPC8641 等。与 IBM 的Power 700 系列的最大不同在于G4系列支持 AltiVec结构。这类处理器也是 Apple 用于 MAC 机的芯片。

E700系列：支持64位的 PowerPC 结构，开发中(最新消息不明，怀疑被放弃)。

飞思卡尔 QorIQ 通信平台是飞思卡尔的 PowerQUICC 通信处理器的下一代演进产品，包含一个或者更多个核，一共有5个不同的产品平台。按照功能和性能，分为 P1, P2, P3, P4 和P5，同老的 PowerPC 产品保持软件兼容，例如 PowerQUICC 平台。

1.5 参考手册与学习资料

EIS Architecture 参考手册主要是《EREF: A Programmer’s Reference Manual for Freescale Power Architecture Processors》，还有一些指令子集的说明手册、飞思卡尔各产品的处理器核架构手册等

Power Architecture参考手册有《PowerISA_V2.06B》、《PowerISA_V2.07》等。

EIS Architecture指令集分类

2.1 根据硬件和通用性分类

根据硬件和通用性可将EIS指令集分为 Base、SPE、AltiVec、VLE、Embedded 子集。对指令依据硬件进行分类可以针对特定需求定制嵌入式系统，不仅可以节省资金还能提高系统的可靠性和性能。

各指令子集实际上是基于特定硬件的。例如许多嵌入式系统没有 mmu 硬件，则处理器是不支持类似 tlbilx、tlbwe、tlbivax 这类指令的，也就是说如果该某一特定嵌入式系统中没有对应的硬件，则该系统无法运行这个指令子集。同时在不同的处理器上各指令子集包含的指令数也会不同，这跟处理器的实现有关。

2.2 根据执行权限分类

根据执行权限可将EIS指令集分为用户级指令子集、特权级指令子集。

用户级指令集包含：整数操作指令、存储/加载指令、浮点运算指令、跳转指令、处理器状态指令、Cache管理指令等。

特权级指令集包含：TLB操作指令、操作特权寄存器指令和中断处理指令。

飞思卡尔EIS Architecture v2.1详述

EIS2.1架构涉及到的指令子集有：

Base：包含整数指令、存储/加载指令、跳转指令等
SPE：浮点指令集
AltiVec：矢量运算集
VLE：变长指令集
Embedded:嵌入式系统相关指令

基于EIS2.1架构实现的处理器核有 e500 core family（包含e500v1, e500v2, e500mc, e5500, e6500）、e200 core family。其对应的 Power ISA 是2.06B，同时还包含一些EIS的特有指令。

所有飞思卡尔处理器都支持的 Power ISA 2.06 中的指令子集有：

Base
Embedded
Cache Specification

要注意的是有一些 Power ISA 2.06 的指令在所有飞思卡尔处理器中都是不支持的，不支持的指令子集有：

Server (and any dependent categories)
Decimal Floating-Point
Embedded.Cache.Debug
Embedded.Cache.Initialization
Embedded.Hypervisor.LRAT
Embedded.Multi-Threading
Embedded.Page Table
Embedded.TLB Write Conditional
Legacy Integer Multiply-Accumulate
Legacy Move Assist
Load/Store Quadword
Move Assist
Processor Compatibility
Stream
Strong Access Order
Trace
Vector-Scalar Extension
Vector.Little Endian

SkyEye 支持多种处理器模型

SkyEye 目前支持主流的嵌入式硬件平台，可以运行主流的操作系统，此外还能适配国内自主研发的操作系统天脉，上文中介绍的 PowerPC 和飞思卡尔指令集架构可以在 SkyEye 中进行全数字仿真。通过利用基于LLVM的动态二进制翻译技术，使虚拟处理器在典型的桌面计算机上运行速度可以达到2000MIPS以上。

SkyEye 目前支持的处理器模型列表：