PowerPC调研报告

嵌入式微处理器调研报告

课程名称嵌入式系统设计

调研对象PowerPC

系别计算机

专业计算机科学与技术

班级/学号

学生姓名

实验日期

成绩________________

指导教师

PowerPC

PowerPC（英语：P erformance O ptimization W ith E nhanced R ISC –P erformance C omputing，有时简称PPC）是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。POWER是1991年，Apple（苹果电脑）、IBM、Motorola（摩托罗拉）组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM联盟平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。但苹果电脑自2005年起，将旗下电脑产品转用Intel CPU。

简介

POWER是1991年，Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC 是整个AIM平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。PowerPC 的历史可以追溯到早在1990年随RISC System/6000一起被介绍的IBM POWER架构。该设计是从早期的RISC架构（比如IBM 801）与MIPS架构的处理器得到灵感的。

详细

PowerPC处理器有广泛的实现范围，包括从诸如Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式CPU市场（任天堂Gamecube 使用了PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了像串行和以太网控制器那样的集成

I/O，该嵌入式处理器与台式机CPU存在非常显著的区别。例如，4xx 系列PowerPC 处理器缺乏浮点运算，并且还使用一个受软件控制的TLB 进行内存管理，而不是象台式机芯片中那样采用反转页表。

PowerPC 处理器有32 个（32 位或64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如PC（程序计数器，也称为IAR/指令地址寄存器或NIP/下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些PowerPC CPU 还有32 个64 位FPR（浮点寄存器）。

PowerPC 体系结构是RISC（精简指令集计算）体系结构的一个示例。因此：

所有PowerPC（包括64 位实现）都使用定长的32 位指令。

PowerPC处理模型要从内存检索数据、在寄存器中对它进行操作，然后将它存储回内存。几乎没有指令（除了装入和存储）是直接操作内存的。

发展历史

1980

IBM 发布了第一台基于RISC(精简指令集计算机）架构的原型机。早在上世纪70年代初，基于IBM 科学家John Cocke的发明，RISC的理念大大简化了计算机操作指令，加快系统运行速度，使得计算机性能得到大幅度提升。如今，RISC架构已经广泛应用于众多工作站和UNⅨ服务器系统中，并被看作是未来主流的计算架构。

1990

IBM 推出基于RISC系统、运行AⅨV3的新产品线RS/6000（称为IBM eServer p系列）。该系统架构被称为POWER(POWER1），意为增强RISC性能优化（Performance Optimization With Enhanced RISC）架构。

1991

IBM和苹果、摩托罗拉公司达成一系列合作协议，内容包括：推出支持苹果Macintosh个人电脑与IBM网络相连的全新产品；推出面向PC机和低成本工作站的RISC架构PowerPC处理器；形成一个开放的系统环境，保证IBM AⅨ和苹果Macintosh软件程序在两家公司设计的RISC系统中都能运行。此外，开放的系统环境包括其他一些技术协议。

1993

IBM 推出可升级的POWER并行系统，这是第一款采用RS/6000技术，基于微处理器的超级计算机。在该系统中，IBM 首次应用多处理器技术，可将复杂密集的任务进行分解，大大加快了计算机的运算速度，开创了业界先河。

IBM和摩托罗拉公司推出PowerPC 601处理器，该处理器是与苹果共同开发的。PowerPC上集成280多万个晶体管，主频为50 MHz。

IBM 发布了66 MHz 的POWER2处理器，首先应用于RS/6000系统。

1994

IBM 推出可升级的POWER并行系统2 (Scalable POWERparallel，SP2）。美国康乃尔理论研究中心配备了SP2超级计算机，运行速度高达1360亿次/秒。欧洲粒子物理学实验室（CERN）采用一款64节点、运行AⅨ系统的IBM SP2，速度位于欧洲前列。

IBM 成功研发出新一代PowerPC 604处理器，其强大的处理性能在批量生产的处理器产品中处于领先地位。IBM 技术人员还推出了业内最快的“无损”数据压缩芯片，每秒钟能处理40 MB数据。7月，IBM 交付第一百万个PowerPC 601处理器。

IBM发布首个基于Power 架构的嵌入式控制器PowerPC 403GA。

1995

PowerPC64位RISC处理器开始应用于IBM AS/400 操作系统中。

8月，苹果公司推出首款基于Power架构的笔记本电脑PowerBook 500，它采用IBM的PowerPC 603e处理器。

1996

IBM 推出全新的32位POWER2超级芯片（P2SC），主频达135 MHz ，首先应用于RS/6000系统。基于POWER2 架构的P2SC采用了高密度CMOS技术，单个芯片上集成1500万个晶体管。

1997

IBM“深蓝”超级计算机在经过多局较量后，击败了国际象棋冠军Garry Kasparov。“深蓝”是一款32节点的IBM RS/6000 SP计算机，处理器采用32位P2SC，运行AⅨ操作系统。在比赛期间，“深蓝”的平均运算速度为每秒1亿2600万步。这台超级计算机被安放在美国华盛顿特区的史密森国家博物馆内。

IBM 为美国国家宇航局提供一款32位的PowerPC微处理器，其运算速度可达每秒3500万次，主要用于火星探测计划。经过洛克希德马丁实验室改造后，最终形成可抗辐射的RAD 6000芯片，植入火星登陆车Sojourner Rover内部的计算机系统中。

1998

由IBM和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同研发的“蓝色基因”超级计算机问世。这台计算机采用PowerPC 604处理器，主频高达332 MHz，系统包含176个节点，最高运算速度为每秒3.9万亿次（比一般台式电脑快1.5万倍），存储容量超过 2.6 TB （是普通PC机的8万倍）。“蓝色太平洋”一秒钟内的计算量相当于一个人使用计算器连续计算6万3千年的总和。

IBM 推出世界上第一组基于铜的微处理器PowerPC 740/750，工作频率为400 MHz。由于使用了铜芯片技术，处理性能提高了近1/3。

全新64位POWER3处理器将POWER2 架构（P2SC) 与PowerPC 架构相结合，并对技术应用进行了优化。POWER3 的最高运算速度可达每秒200万次，比“深蓝”所采用的POWER2 超级芯片快出一倍多。

IBM 公布了首个基于Power的嵌入式系统芯片（SoC）内核。不久之后，PowerPC 405内核也将同其他IP相结合，形成嵌入式SoC微处理器和基于Power的特定应用集成电路(ASIC）解决方案。

1999

IBM 研究院投资1亿美金开发一种新型的Power架构超级计算机。这种名为“蓝色基因”的计算机峰值速度超过1 PetaFLOP，比当时最快的超级计算机高出500倍。它将被用来模拟复杂蛋白质的折叠。

自正式推出铜芯片一年后，IBM 交付了第一百万个铜技术PowerPC 芯片。

6月，IBM 发布了第一个基于405内核的系统芯片PowerPC 405GP。下半年，IBM 即推出了再下一代嵌入式PowerPC内核。

IBM与任天堂公司共同宣布了一项价值10亿美元的技术协议，IBM将为任天堂的下一代家庭游戏机GAMECUBE提供增强版PowerPC 芯片。新产品性能将超出任何其他家庭游戏系统，为玩家呈现更佳的图像效果和更逼真的动作画面。

2000

IBM 宣布将高速PowerPC处理器与电视机顶盒（STB）组件一起整合到一个“单芯片系统”上，从而在系统性能、价格和设计等方面为机顶盒厂商带来竞争优势。该单芯片系统拥有众多的先进应用，并能帮助三星等公司灵活应对不断变化的客户需求。

IBM 将RS/6000更名为IBM eServer p系列。

2001

IBM 新一代超机计算机“ASCI White”在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室投入使用，运算速度高达每秒12.3万亿次，主要用于模拟核爆炸试验。作为美国国家核安全管理局(NNSA）提高战略运算能力计划（ASCI）的组成部分，该系统强大的运算能力可以在不到1分钟时间内处理地球上每个人发出的一次互联网操作请求。

在经过5年潜心研发后，IBM推出世界上最强大的UNⅨ服务器—eServer p690（“Regatta”）。新系统基于先进的POWER4处理器，集成了多项主机技术。由多台p690服务器连接而成的超级计算机拥有1000多个POWER4处理器，能够完成最为复杂的运算任务。

索尼、东芝和IBM宣布合作，共同开发一种用于宽带设备的高级芯片架构，这款代号为“CELL”的芯片将采用业界最先进的芯片研发和制造技术。应用该产品的设备性能将超过IBM“深蓝”超级计算机，并能以更低的功耗实现超高速宽带上网。

2002

IBM 推出64位PowerPC 970处理器，这款高性能产品可应用于普通台式机、入门级服务器等多种环境中。64位的PowerPC 970芯片基于POWER4服务器架构，采用独特的单指令多数据流（SIMD）单元，拥有超强处理性能。此外，它还采用了“Elastic I/O”内部总线结构，这是业界最快的处理器总线之一。

IBM 推出速度更快的POWER4+。截至2003年，POWER4+ 已经应用于全部pSeries产品线。

IBM 推出32路eServer iSeries 890服务器，其处理性能为i840的两倍，采用1.3 GHz POWER4处理器，单个芯片上集成了1亿7400万个晶体管。

IBM 推出嵌入式PowerPC 440GP 和PowerPC 440GX处理器，主要运行嵌入式网络和存储应用。PowerPC 440GX拥有TCP/IP负载加速功能，在全部的5项EEMBC基准测试中得分均高于任何其它的“单芯片系统”处理器。

2003

IBM 宣布一个有关32位嵌入式PowerPC 内核的公开授权计划。

IBM和苹果公司联手推出世界上第一款64位台式机处理器—PowerPC G5，工作频率达2.0 GHz。苹果公司称新的Power Mac G5电脑是“世界上最快的个人电脑”。

IBM 宣布推出划时代的“Blue Gene/L”原型机。这款超级计算机尺寸仅相当于30英寸彩电大小，它的问世将为科学界和IT业发展带来深远影响。最终版“Blue Gene/L”超级计算机将于2005年诞生，占地面积相当于半个网球场，总共包含65536个节点（PowerPC）和64个机架，预计其峰值速度将达到360 Tera Flops。

IBM 宣布eServer pSeries 630将采用POWER4+处理器。等到eServer pSeriesp615发布后，POWER4+ 已经应用于全部pSeries产品线。

IBM 推出首款采用64位PowerPC技术的刀片服务器BladeCenter JS20，扩大了客户的选择范围，提高投资回报率，实现快速经济的计算性能扩展。

IBM 推出全新的PowerPC 750GX。与PowerPC 750相比，新产品的二级缓存扩大了一倍，由原先的512KB变为1MB。

2004

IBM宣布开发出一种制造低功耗、高性能微处理器的新方法，首次把绝缘硅（SOI）、应变硅和铜制程三种技术工艺结合在一起。64位PowerPC 970FX成为首款采用新技术生产的处理器产品，并在业内评选中荣获大奖。

IBM 交付第4000台eServer p690服务器，该产品基于POWER 架构，是世界上最受欢迎的UNⅨ服务器。

IBM发布“Power Everywhere”战略，围绕POWER架构开展一系列合作计划，并建立POWER 技术创新社区。从全球最强大的企业系统、超级计算机到普通游戏机、嵌入式设备，POWER架构已经广泛应用于各类产品中。

索尼公司宣布取得IBM Power处理器架构授权。索尼表示，POWER产品丰富的功能和低功耗、高性能的特点将使其成为客户设备的首选。

IBM 推出业界首款基于Power 架构的刀片服务器—eServer BladeCenter JS20。

IBM 在全球范围内建立Power架构中心，为客户设计POWER系统提供支持。

IBM 推出一项创新的软件技术，帮助客户开发先进的Power 架构处理器，并对设计流程进行整合，以实现更快速、更经济的研发目标。

IBM 正式发布新的eServer i5服务器，这是世界上第一台采用POWER5处理器的服务器产品。具有划时代意义的POWER5是IBM有史以来最强大的64位处理器。

IBM推出基于POWER 5处理器的OpenPower 720服务器，相对于HP和Sun的入门级UN Ⅸ和Linux 系统而言，这款Linux专用服务器有着明显的价格优势。

IBM在其developerWorks 网站上开辟了Power架构技术专区，为众多基于POWER平台的芯片设计人员、验证工程师、嵌入式系统及软件研发人员提供丰富的技术资源。

IBM 推出基于POWER 架构的TotalStorage DS6000 和DS8000存储系统。

IBM 推出三款全新的POWER5服务器，树立起高端计算领域的新标准。其中，IBM eServer p5 595、eServer i5 595拥有强大的处理性能和虚拟能力，而32路的IBM eServer p5 590和eServer pSeries p690相比，速度高出45%，价格则降低45%。

在网络设备市场上，Power架构服务器占据了三分之二的市场份额。

自2004年4月以来，已有超过1400名研发人员加入了Power 架构团队。

IBM“Blue Gene/L”超越日本NEC公司的地球模拟器，成为世界上速度最快的超级计算机。在Linpack基准测试中，IBM“Blue Gene/L”系统的性能达到360Tera Flops，刷新了地球模拟器在2002年创造的35.86Tflop的世界记录。

在全球排名前10位的超级计算机中，共有5台采用了Power 架构，比第二位高出一倍。

IBM 预发布新的高密度POWER5服务器系统—IBM eServer p5 575。该产品可以通过简单的集群方式组成高性能超级计算机，为未来超级计算机的发展指明了方向。

IBM宣布，基于POWER5处理器、运行DB2通用数据库的IBM eServer服务器在TPC-C基准测试中突破了每分钟300万次的处理极限，创造了新的世界纪录。

2005

10月，IBM发布System p5产品线，采用基于POWER5处理器的增强版——POWER5+处理器，并提供一系列更优化功能。产品一经推出，就打破15项计算领域的世界纪录。

新的POWER5+处理器被称为“片上服务器”（server on a chip），它包括2个处理器，一个高带宽系统交换器，一个更大高速缓存和I/O界面。最新的POWER5+有1.5和1.9GHz两个主频选择，最大72MB板上高速缓存，支持逻辑分区技术，可使System p5为用户提供更强大性能，而占用面积更小。

发布QCM技术，即四处理器内核模块。

2006

2月，发布破多项记录的System p5中端产品，最大限度满足用户对产品不同定位的需求。System p5产品所取得的世界记录已经达到70余项，其动力主要来自以全新2.2GHz POWER5+处理器为代表的POWER处理器，和显著提高计算密度的QCM(4内核处理器模块）处理器封装技术，后者可使产品在紧凑空间中成倍增加了计算能力。

主要型号

第一代PowerPC产品

1993-1995年代表产品：PowerPC601

字长32位主频50-120MHz

集成度300万个晶体管工艺0.6-0.35微米

第二代PowerPC产品

1995-2002年代表产品：PowerPC620 PowerPC603/e PowerPC604/e

字长32/64位主频66-300MHz

集成度最多可达800万个晶体管工艺0.5-0.25微米

第三代PowerPC产品

1997-2006年代表产品：PowerPC G3 PowerPC740/750

字长32/64位主频200-650MHz

集成度最多可达3千万个晶体管工艺0.35-0.18微米

第四代PowerPC产品

1999-2008年代表产品：PowerPC G4 MPC7400

字长32/64位主频350-1000MHz

集成度最多可达5千万个晶体管工艺0.30-0.15微米

应用领域

工业控制领域。作为32位的RISC架构，基于PowerPC微处理器核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，PowerPC微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

无线通信领域。目前已有超过85%的无线通信设备采用了PowerPC技术，PowerPC以其高性能和低成本的优势，在该领域的地位日益巩固。

网络应用。随着宽带技术的推广，采用PowerPC技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，PowerPC在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。

消费类电子产品。PowerPC技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中被广泛采用。

(5) 成像和安全产品。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用PowerPC技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了PowerPC技术。

典型应用

1、野外数字传输设备

2、数据通信网关

3、无线移动自组织通信设备

4、数字电路播录设备

5、高性能信号处理卡

功能特点

超标量处理器

PowerPC具有高频率超标量处理内核，在一个时钟周期可以利用8个独立的执行单元执行3个指令，即可以在一个时钟周期内最多可以执行8次计算，极大地提高了计算的速度。

外部内存结构

PowerPC具有双总线结构，其中一条是基于摩托罗拉60X64位的MPX总线，总线时钟速度高达133MHz，另一条总线为容量为2Mb的L2缓存提供一个专用接口，高速的数据总线有效的降低了传输的延迟，使系统的性能大大提高。

AltiVec技术

该技术是Freescale半导体公司开发的并行向量处理引擎，该引擎为摩托罗拉的第四代powerPc提供了卓越的处理性能，使其数据处理能力有了数量级的提升。

开发环境

powerPC实际上是一种通用的cpu，开发商提供了良好的图形化编程，编译，系统配置和调试环境。同时为底层良好的实现了模块化和屏蔽化的工作，使用户在程序开发时完全不用了解底层的cpu内部结构。

实际案例

研祥PowerPC核心板在合并单元中应用

一．系统概述

随着电力行业信息化的发展，许多业内及通信方面的专家表示：在数字化变电站中PowerPC核心板将发挥越来越重要的作用。这一趋势也得到国家电网公司和南方电网公司及众多集成商的认可。据了解，目前新建的数字化变电站在合并单元设计中都不同程度地采用了以PowerPC为核心的解决方案。凭借对数字化变电站应用的深刻理解，在广泛市场调研的基础上，研祥公司新近推出了嵌入式核心板EEB-3611C2N，该核心板基于飞思卡尔的MPC8377处理器而设计，优秀的性能和通讯处理能力很好的满足了当前数字化变电站建设的实际需求。

PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM

的 POWER,具有可伸缩性好、方便灵活等特点。

PowerPC处理器有广泛的应用范围，包括从诸如 Power6的高端服务器到嵌入式 CPU 市场。由于它具有优秀的处理性能、较低的功耗，因此在嵌入式领域得到了广泛的应用。

国际电工委员会在IEC61850标准中定义了一种叫做合并单元（Merging Unit，MU）的装置，它作为ECT/EVT（电子式电流/电压互感器）和保护、测控装置的中间接口，主要功能是同步采集多路ECT/EVT输出的数字信号并按照标准规定的格式发送给保护、测控装置。合并单元作为遵循

IEC61850标准的数字化变电站间隔层、站控层设备的数据来源，作用十分重要。

二．系统构成

1、基于MPC8377的CPU处理和以太网通讯平台

合并单元作为保护、测控设备的数据源，它的数据输出方式主要是通过以太网发送遵循

IEC61850-9格式的数据包，因此网络性能是合并单元最重要的性能指标之一。系统所采用的研祥EEB-3611C2N核心板采用Freescale MPC8377处理器，主频667MHz，板载512MB DDR2 SDRAM、64MB NOR Flash，支持2组10/100/1000Mbps以太网口（光电互斥），同时支持IEEE1588，优秀的处理性能和网络性能可以很好的满足应用需要。而且该核心板还支持2个PCI-E x 1的总线扩展，通过高速PCI-E总线可以扩展多路千兆以太网，满足了合并单元对多路以太网输出的需求。

2、FPGA的应用

现场可编程门阵列（FPGA）实现了硬件的软件化，数据处理延时小，工作稳定可靠，升级方便，是实现合并单元中同步模块的合理选择。

FPGA的输入量为GPS提供的1PPS，输出为被1PPS同步后的采样脉冲和解码后的时标数据。同步采样脉冲触发电子式互感器和合并单元的模拟量采集模块同步采集电流电压量，解码后的时标通过串行通信口被CPU读取。

3、高精度ADC

合并单元作为变电站保护、测控装置数据的来源，对ADC的精度提出了更高的要求，为了更好的适应更高的应用需求，采用高精度16位ADC。合并单元使用2片8路16位高性能ADC，在同步采样信号的触发下，同步采集转化16路模拟量，供CPU读取。

4、灵活配置

考虑具体工程的实际需求各有不同，合并单元也必须能够满足多样的应用需求，因此合并单元的电子式互感器接口、以太网接口、模拟量采集、人机界面、开关量输入/输出等功能单元都采用模块

化设计，配置灵活。

三．系统特点

1、性能优秀，技术先进。系统所采用的MPC8377处理器具有667MHz的主频，可以很好的支持千兆网，避免了应用低性能处理器搭配千兆网造成的千兆网性能无法有效发挥的问题。千兆网的应用也极大提高了网络的整体性能。

2、支持IEEE1588。系统所采用的EEB-3611C2N核心板支持IEEE1588对时，可以满足精确时钟对时的需求。

3、配置灵活。EEB-3611C2N核心板板载资源非常丰富，除了有SATA、COM、USB、CAN、SPI、I2C、GPIO等接口资源外，还支持PCI、PCI-E、Localbus总线扩展，搭配根据应用需要设计的载板，可以灵活设计各种接口，满足不同的应用需求。

4、可靠性高。采用全板载设计，整体功耗低，无需风扇散热，具备较高的可靠度。

四．系统评价

目前，基于IEC61850标准的数字化变电站自动化系统的应用正在逐渐兴起，使用PowerPC处理器实现合并单元的技术方案具有技术先进、性能优越等特点，丰富的片上资源可以根据不同的应用需求进行方案设计。研祥推出的基于MPC8377处理器的核心板处理性能和网络性能优秀，板载资源丰富，是构建合并单元的先进技术方案。

开发平台

举例PowerPC405开发板简要介绍

一、硬件方面：

1、CPU介绍：PowerPC? 405 32-bit RISC processor，最高主频333MHz ，带一级数据和指令cache各16KB；PC-133 规范SDRAM 接口；PCI 2.2 规范接口(32-bit, 最高66MHz) ；两个片内以太网10/100Mbps 自适应MAC 提供MII接口；独立的Local BUS 两个串口,一个IIC接口。

2、开发板硬件配置：

NOR FLASH：4MBit(512Kx8Bit)；NAND FLASH: 64MB ；SDRAM 64MB

Local BUS总线提供外部接口；2个PCI接口；2个串口；2个10/100Mbps以太网接口；外接AC/DC电源适配器（5V输出），调试方便，并具有灵活的启动配置方式。3、开发板PCB布局在EMC、系统的稳定性方面都做了全面的考虑。

二、软件方面：提供eldk、uboot、linux2.4和linux2.6的BSP包。