Leon2微處理器IP核原理及應(yīng)用-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯Leon2微處理器IP核原理及應(yīng)用-新品速遞摘要介紹一款開源的、符合SPARCV8規(guī)范的、采用RISC結(jié)構(gòu)的32位處理器IP按——Leon2，它可以從互聯(lián)網(wǎng)上使用。Leon2是以VHDL形式存在的軟核、完全可綜合、內(nèi)部硬件資源可裁剪、主要面向嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術(shù)實現(xiàn)。文中介紹Leon2的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點、軟硬件的開發(fā)過程和一些應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞Leon2SPARCV8AMBAVHDL交叉編譯器引言Leon2是GaislerResearch公司于2022年研制完成的一款32位、符合IEEE-1754(SPARCVS)結(jié)構(gòu)的處理器IP核。它的前身是歐空局研制的Leon以及ERC32。Leon2的目標(biāo)主要是權(quán)衡性能和價格、高的可靠性、可移植性、可擴展性、軟件兼容性等．其內(nèi)部硬件資源可裁剪(可配置)、主要面向嵌入式系統(tǒng)，可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術(shù)實現(xiàn)。Leon2處理器的片上資源如下：分離的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、具有跟蹤緩沖器的調(diào)試支持單元(DSU)、2個24位定時器、2個通用異步串口(UART)、低功耗模式、看門狗電路、16位I/O端口、靈活的存儲控制器、以太網(wǎng)MAC和PCI接口。Leon2的VHDL模塊可以在大多數(shù)綜合工具上進(jìn)行綜合，可以在任何符合VHDL-87標(biāo)準(zhǔn)的仿真器上進(jìn)行仿真；采用AMBAAHB／APB總線結(jié)構(gòu)的用戶設(shè)計新模塊，可以很容易加入到Leon2中，完成用戶的定制應(yīng)用。Leon2在歐洲和美國都有眾多的應(yīng)用者；國內(nèi)航天部77l所和中科院國家天文臺等單位正在研制基于Leon2的應(yīng)用系統(tǒng)。為了使Leon2得到國內(nèi)業(yè)界的了解和進(jìn)一步的應(yīng)用，本文將從Leon2的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點、軟硬件的開發(fā)過程和應(yīng)用實例等四個方面進(jìn)行介紹。在技術(shù)特點中，主要介紹了它所遵循的SPARCV8規(guī)范、采用的AMBH2．0內(nèi)部系統(tǒng)總線協(xié)議、容錯設(shè)計方法和VHDL編程風(fēng)格等。1Leon2的結(jié)構(gòu)圖1是Leon2的片上結(jié)構(gòu)框圖。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由AMBAAHB和APB支撐，連接著SPARC處理器、Cache系統(tǒng)及片上外設(shè)等設(shè)備。(1)處理器單元處理器單元由整數(shù)單元IU、浮點單元FPU、協(xié)處理器單元CP構(gòu)成。整數(shù)單元的特點有：5級指令流水、分離的數(shù)據(jù)和指令Cache、支持2~32個寄存器窗口、可選的4個觀察口寄存器、可配置乘法器、可選的16×16位MAC(40位累加器)、基2除法器?？芍С值母↑c處理器有GaislerResearch的GRFPU，SunMicrosystems的MeikoFPU或其他通用浮點處理單元。Leon2提供了一個通用的用戶可定義的協(xié)處理器，同IU并行運行增強了系統(tǒng)功能。(2)Cache子系統(tǒng)可配置的模式有直接映射模式和2~4組相聯(lián)的多組相聯(lián)模式；可選的三種替換算法是LRU、LRR和偽隨機。(3)片上外設(shè)片上外設(shè)包括：2個中斷控制器、2個UART、2個Timer和1個Watchdog、16位的I／O口、存儲器控制器(PROM、SRAM、S13RAM)、PCI橋接器、Ethernet接口、片上調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器等．中斷控制器可以處理46個內(nèi)部和外部中斷。2個串行通信口(UART)，支持8位數(shù)據(jù)幀、1位校驗位、1位停止位，支持硬件流控功能。調(diào)試支持單元(DSU)能夠把處理器設(shè)置到調(diào)試模式，通過它可以讀寫處理器的所有寄存器和Cache。DSU還包括一個跟蹤緩存，可以保存已執(zhí)行了的指令和AHB上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。2Leon2的技術(shù)特點Leon2的技術(shù)特點主要有：采用SPARCV8結(jié)構(gòu)、采用內(nèi)部AMBA總線結(jié)構(gòu)、容錯設(shè)計和VHDL編程風(fēng)格。2.1SPARCV8SPARC是可擴展處理器體系架構(gòu)的首字母縮略詞，是一個從RISC派生出的CPU指令集結(jié)構(gòu)(ISA)。指令集結(jié)構(gòu)是指：定義了指令、寄存器、指令和數(shù)據(jù)存儲器、指令執(zhí)行對寄存器和存儲器的影響、控制指令執(zhí)行的算法等內(nèi)容，但不定義時鐘周期、每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)(CPI)、數(shù)據(jù)通路等內(nèi)容。作為一個結(jié)構(gòu)，SPARC允許在具有不同性能價格比的廣泛應(yīng)用中，實現(xiàn)不同系列的芯片和系統(tǒng)，包括科學(xué)、工程、編程、實時和商業(yè)應(yīng)用等。SPARC的設(shè)計目標(biāo)是優(yōu)化編譯器和易于硬件流水線實現(xiàn)。SPARC處理器由整數(shù)單元(IU)、浮點和協(xié)處理器單元(FPU和CP)構(gòu)成。它們各自都有自己的寄存器，其中IU有8個全局寄存器、2~3N個寄存器窗口(由用戶設(shè)定)，浮點和協(xié)處理器單元的選擇依賴于具體應(yīng)用。(1)寄存器窗口它是SPARC的技術(shù)特點。SPARC處理器包括兩種寄存器：一種是通用寄存器，另一種是控制／狀態(tài)寄存器。IU的通用寄存器叫r寄存器。一個IU的實現(xiàn)可能包括40~520個32位r寄存器。這些寄存器又被分成8個全局寄存器，再加上2~32個與實現(xiàn)有關(guān)的16位寄存器組，每一個寄存器組又進(jìn)一步分為8個輸入寄存器和8個輸出寄存器。圖2是一個8窗口寄存器結(jié)構(gòu)示意圖。在任何一個時刻，一條指令只能訪問8個全局寄存器和由當(dāng)前窗口指針(CWP)指定的當(dāng)前窗口。這個窗口是由8個輸入寄存器、8個局部寄存器和8個輸入寄存器構(gòu)成。從圖2中可以看出，兩個相鄰窗口的入和出寄存器是共享的。當(dāng)前是按窗口號順序(或前或后)轉(zhuǎn)換的，正好上的輸出寄存器成為當(dāng)前窗口的輸入寄存器，這樣可以減少存儲器讀寫和運行時的現(xiàn)場保護(hù)。(2)支持的數(shù)據(jù)格式基本有三種：8／16／32／64位有符號整數(shù)、8／16／32／64位無符號整數(shù)、32／64／128位浮點數(shù)。浮點數(shù)格式符合ANSI／IEEEStandard754-1985。(3)Traps它是一種矢量化的、通過一個包含每個陷阱句柄的前4條指令的特殊陷阱表，將控制轉(zhuǎn)向監(jiān)視軟件。陷阱種類有陷阱、延遲陷阱和中斷陷阱。(4)指令集有所有指令都編碼成32位格式，可以分成六個基本的類型，一共有72條指令。六種基本的指令分別是：①Load／store；②Arthmetic／logical／shift；③Controltransfer；④Read／writecontrolregister；⑤Floating-pointoperate；⑥Coprocessoroperate。(5)存儲器模式SPARC的存儲器模型定義了存儲器操作的語義，指定了處理器發(fā)射出這些操作的順序與這些指令被存儲器執(zhí)行的順序是如何進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。標(biāo)準(zhǔn)的存儲器模型叫作TSO(TotalStoreOrdering)，所有的SPARC實現(xiàn)必須提供這個模型；另一個模型叫作PSO，它可以提供更高性能的存儲系統(tǒng)。2.2AMBAAMBA(AdvancedMicrontrollerBusArchitecture)規(guī)范，是一種已制定的、開放的規(guī)范，充當(dāng)著SoC設(shè)計的架構(gòu)，正迅速成為SoC和IP庫開發(fā)事實上的標(biāo)準(zhǔn)，為高性能嵌入式微控制器設(shè)計定義了一種片上通信標(biāo)準(zhǔn)．AMBA規(guī)范中定義了三種不同的總線，即AHB、ASB和APBAHB是為高性能、高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊提供的，擔(dān)任著高性能系統(tǒng)的背板總線、支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲器接口連接到低功耗輔助宏單元。ASB也是為高性能系統(tǒng)模塊提供，當(dāng)AHB的高性能特點無需要時，就可以用ASB來代替；它也支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲器接口連接到低功耗輔助宏單元。APB是為低功耗的外圍設(shè)備提供的，它優(yōu)化到為功耗和減小接口的復(fù)雜性來支持輔助功能。圖3是AMBA總線微控制器的典型結(jié)構(gòu)。它含有一套高性能的背板總線，AHB或ASB；它能支撐外部存儲器帶寬，在這套總線掛接著CPU、片上存儲器和其他DMA設(shè)備。通過一個橋接器，可以把AHB和APB總線連接起來。APB上面連接著大多數(shù)的輔助設(shè)備，如UART、定時器、PIO等。2.3容錯問題為了適用于航空航天的高可靠性應(yīng)用，Leon2采用多層次的容錯策略；奇偶校驗、TMR(三模冗余)寄存器、片上EDAC(檢錯和糾錯)、流水線重啟、強迫Cache不命中等．盡管現(xiàn)在幾乎所有CPU都有一些常規(guī)的容錯措施，如奇偶校驗、流水線重啟等，像IBMS／390G5還采用了寫階段以前的全部流水線復(fù)制技術(shù)．IntelItanium采用的混合ECC和校驗編碼等技術(shù)；但遠(yuǎn)沒有Leon2那樣，采用如此全面的容錯措施。Leon2將時序(存儲)單元的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)作為數(shù)字容錯的主要內(nèi)容，根據(jù)時序邏輯的不同特點和性質(zhì)，采用了不同的容錯技術(shù)和手段．①Cache的容錯。大的Cache對高性能CPU來說是至關(guān)重要的，而且位于處理器的關(guān)鍵(時間)通路上。為了減少復(fù)雜性和時間開銷，錯誤檢測的方法采用2位的奇偶校驗位，l位用作奇校驗，l位偶校驗，因此可以檢查所有的錯誤情況，在讀Cache的同時進(jìn)行校驗。當(dāng)校驗出錯誤，強制Cache丟失，并從外部存儲去獲取數(shù)據(jù)。②處理器寄存器文件的錯誤保護(hù)。寄存器文件是處理器內(nèi)部的寄存器堆，內(nèi)部的寄存器對于指令的運行速度和用戶程序設(shè)計的靈活程度都是很重要的。內(nèi)部寄存器的使用頻率很大，其狀態(tài)的正確性是也很關(guān)鍵。Leon2采用1、2奇偶校驗位和(32.7)BCH校驗和進(jìn)行容錯。③觸發(fā)器的錯誤保護(hù)。處理器的2500個觸發(fā)器均采用三模冗余的方式進(jìn)行容錯，通過表決器來決出正確的輸出。④外部存儲器的錯誤保護(hù)。采用掛上的EDAC單元實現(xiàn)。EDAC：采用標(biāo)準(zhǔn)的(32.7)BCH碼，每32位字可糾正1位錯誤和檢測2位錯誤。⑤主檢測模式。是指兩個相同的處理器同時并行執(zhí)行相同的指令，只讓其中的主模式處理器輸出結(jié)果，不讓檢測模式的處理器輸出結(jié)果。在內(nèi)部，將檢測模式處理器的輸出同主模式處理器輸出進(jìn)行比較，以檢查錯誤是否存在。這種工作模式，可以應(yīng)用于要求更高可靠性的情況。⑥在軟件上，還要考慮Cache的清洗問題。因為上面介紹的五種方法，只有在對相應(yīng)的單元進(jìn)行訪問時才進(jìn)行錯誤檢查。如果存儲單元的數(shù)據(jù)不常使用，這些單元的錯誤會逐漸增加，因此必須使用一些軟件的方法來實現(xiàn)。2.4編碼風(fēng)格Leon2的VHDL編碼風(fēng)格，同傳統(tǒng)以并發(fā)執(zhí)行的并發(fā)進(jìn)程(或并發(fā)語句)作為模塊、所謂的“數(shù)據(jù)流”編碼風(fēng)格不一樣，采用的是“二進(jìn)程”的設(shè)計方法。這種編碼風(fēng)格克服了“數(shù)據(jù)流”編碼方式的可讀性差、抽象級低、仿真時間長等缺點?！岸M(jìn)程”編碼風(fēng)格的具體措施是：①所有的端口和信號聲明采用記錄的形式進(jìn)行說明，如按輸入輸出分類進(jìn)行記錄說明；②每個實體只有兩個進(jìn)程，一個組合進(jìn)程和一個時序進(jìn)程；③在組合進(jìn)程中全部采用變量(而不是信號)，以使用結(jié)構(gòu)化的順序編碼方式；④在時序進(jìn)程中通過時鐘同步，進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?！岸M(jìn)程”的編碼風(fēng)格的模型可用圖4來表示。它基本與狀態(tài)機模型一樣，只是組合進(jìn)程部分，采用變量形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化順序編碼，來完成下一個時鐘周期的輸出和下一個狀態(tài)進(jìn)行計算。時序進(jìn)程部分是在時鐘的作用下，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動。3軟硬件開發(fā)3.1VHDLLeon2除了VHDL源代碼外，還提供了頂層Makefile文件、Modelsim仿真器支持文件、Boot-monitor文件、VHDL測試文件、綜合支持文件、Leon2調(diào)試用的C語言源文件等，便于對Leon2進(jìn)行硬件和軟件方面的測試。Leon2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過模塊配置，使處理器具有不同的功能結(jié)構(gòu)。配置的方式可以采用tkconfig腳本進(jìn)行圖形界面的方式進(jìn)行，也可以直接對包文件device．vhd進(jìn)行手動編輯來完成。配置主要是通過修改一系列的常數(shù)的聲明值來實現(xiàn)的。Leon2中許多模塊功能是可以進(jìn)行配置的，這些配置信息是在包文件Target．vhd里進(jìn)行聲明的。Leon2可配置的內(nèi)容包括：①所采用的綜合工具和目標(biāo)庫。綜合的技術(shù)可以是：Synplify、Synopsys-DC、Synopsys-FC2、XST和Leonardo等，目標(biāo)技術(shù)可以是Xilinx的Virtex和VirtexII(FPGA)、Atmel的ATC35和ACT25(0.35／0.25μmCMOS)、TSMC0.25μmCMOS、UMC0.25／0.18μmCMOS、以及Actel的ProAsie(FPGA)和Axeellerator(反熔絲FPGA)等。②整數(shù)單元IU的寄存器窗口、乘法器、除法器、快速跳轉(zhuǎn)和觀察點的配置。寄存器窗口可以設(shè)置為2~32個，但為了同交叉編譯器LECCS兼容必須配置為8個窗口，乘法器可以配置成迭交、16×16加流水寄存器、16×16、32×8.32×16、32×32等形式。③浮點處理單元FPU的配置，可以配置為使用meiko或是lth兩種浮點處理器之一。④Cache。Cache組的有效大小可以配置為1~64KB，但必須是2的次冪，每行可以設(shè)置成4~8個字，組的數(shù)量可以是1~4。替換算法可以是隨機、LRR或LRU，并且指令Cache和數(shù)據(jù)Cache是獨立進(jìn)行配置的。⑤存儲器控制器。⑥D(zhuǎn)ebug配置。⑦片上外設(shè)的配置，如中斷控制器、看門狗等。⑧引導(dǎo)配置。⑨AMHB總線的相關(guān)配置。⑩PCI配置。Leon2有四個可綜合的頂層文件；

leon．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2頂層；

leon_pci.vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上PCI接口構(gòu)成的頂層；

leon_eth．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上一個10／100Mbps以太網(wǎng)MAC構(gòu)成的頂層；

leon_etn_pci．vhd一一標(biāo)準(zhǔn)的Leon2加上一個10／100Mbps以太網(wǎng)MAC以及PCI接口構(gòu)成的頂層。在上述四個頂層的下面，可以很容易地集成用戶自己的功能模塊。3.2系統(tǒng)軟件開發(fā)同一般的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一樣，Leon2應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要采用交叉編譯環(huán)境來進(jìn)行。Leon2應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)主要采用LECCS(Leon／ERC32GUN交叉編譯系統(tǒng))。LECCS是由Cynus、OAR和Gaisler研究公司開發(fā)的多平臺開發(fā)系統(tǒng)，是基于GNU系列的可以自由獲取的、并帶有一系列附加“點”工具的開發(fā)系統(tǒng)。LECCS可以在Linux(-2.2.x或更高)、Solaris(-2.7或更高)和windows(Cygwin-1.1.7更高)等多種平臺上運行。要在Windows平臺上運行LECCS，必須安裝Cygwin。它一個是Unix層面模擬器。LECCS包括如下程序包：GCC--3.2.3C／C++編譯器、RTEMS--4.6.0-βC／C++實時核、獨立C庫、GDB-5.3SPARC交叉調(diào)試器、遠(yuǎn)程調(diào)試監(jiān)視器、GDB的DDD圖形前端(僅對Unix)、GDB的GDB-TK圖像前端(僅對Windows)、引導(dǎo)PROM的builder以及Leon調(diào)試支持單元監(jiān)視器等。還包括一些工具，如交叉匯編器、匯編預(yù)處理器、GNU連接器、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器等等。采用LECCS進(jìn)行Leon2應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)的過程如下：①利用GCC編譯和鏈接程序；②利用仿真器了SIM調(diào)試程序；③在遠(yuǎn)程目標(biāo)系統(tǒng)上調(diào)試程序；④為獨立應(yīng)用產(chǎn)生引導(dǎo)PROM程序。LECCS支持兩種類型的應(yīng)用：一種是通常的順序CC++程序，一種是基于R了EMS核的多任務(wù)實時CC++程序。軟件仿真工具可以采用丁SIM。它是一個通用的SPARC架構(gòu)仿真器，可以對基于ERC-32和Leon的計算系統(tǒng)進(jìn)行仿真，性能和使用方法可以參見TSIM用戶指南。Leon2為應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試在硬件上作了極大的支持，那就是它的調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器。具體使用時可參見Leon2用戶手冊和leonDSUMonitor用戶手冊。4Leon2的應(yīng)用Leon2在國內(nèi)外都有應(yīng)用。國外應(yīng)用很多，如基于Leon的數(shù)字聽寫機、指紋安全系統(tǒng)、GPS處理機、BIST(內(nèi)建自測試)等方面的產(chǎn)品。這里簡單介紹洛杉磯加州大學(xué)的ThumbPod指紋安全系統(tǒng)，以及Nemerix公司的NJ1030型GPS基帶產(chǎn)品。ThumbPod安全系統(tǒng)，是將人的指紋作為