摘要：介紹了基于MIPS指令集的嵌入式處理器BCM1250的雙向核、大容量片內(nèi)緩存、多類型通信接口等主要特性，并對其應(yīng)用方案、啟動過程、操作系統(tǒng)選擇等進行了探討。
關(guān)鍵詞：MIPS 嵌入式RTOS SMP
1983年，斯坦福大學(xué)的John L.Hennessy成功完成了第一個采用RISC理念瓣MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）微處理器。次年，他在硅谷創(chuàng)立了MIPS公司。該公司本身不生產(chǎn)微處理器，只設(shè)計高性能工業(yè)級的32位和64位CPU的體系結(jié)構(gòu)，并且向其他半導(dǎo)體公司提供使用其內(nèi)核（IP）的授權(quán)，用于生產(chǎn)基于MIPS而又各具特色的微處理器。目前已經(jīng)有50多家公司申請了授權(quán)，相繼推出了一批個性鮮明的微處理器，如PMC-Sierra公司的RM7000系列、RM9000X2，NEC公司的VR55000、VR7700，而Broadcom公司開發(fā)的BCM1250一舉奪得了當(dāng)年度嵌入式處理器論壇的“最佳高效能嵌入式處理器”大獎。
1 BCM1250處理器
BCM1250是Broadcom公司開發(fā)的基于MIPS架構(gòu)的雙內(nèi)核、高性能64位RISC微處理器，采用0.13μm CMOS工藝制造，860引腳BGA封裝（42.5×42.5mm），最高主頻1GHz。芯片集成了兩個名為“SB-1”的內(nèi)核（CPU0和CPU1）。SB-1內(nèi)核不僅實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的MIPS64指令集架構(gòu)，而且增加了MIPS-3D和MIPS-MDMX專用擴展指令。在1GHz時，兩個內(nèi)核具有4000MIPS或10Mpps的處理能力。
BCM1250是一種緊耦合共享內(nèi)存對稱式多處理器（SMP）。SMP系統(tǒng)定義為通過一個公共高速總線，將多個相同的處理器與內(nèi)存和I/O設(shè)備等一系列外圍設(shè)備連接起來的系統(tǒng)。“對稱”意味著每個處理器在訪問共享內(nèi)存和外圍設(shè)備時，訪問機制相同。所謂“緊耦合”是指各內(nèi)核個體之間距離很近，并通過一個通用高速總線實現(xiàn)物理互連。這些內(nèi)核通過公共高速總線共享一個全局內(nèi)存模塊（即共享內(nèi)存）以及諸多外圍設(shè)備。
圖1是BCM1250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。主要特點如下。
1.1 高性能雙內(nèi)核和大容量緩存
（1）兩個64位MIPS內(nèi)核SB-1。每個內(nèi)核能夠在一個時鐘周期發(fā)射4條指令。每個內(nèi)核包含32KB 4路組關(guān)聯(lián)指令緩存和32KB 4路組關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)緩存，64位入口的全關(guān)聯(lián)TLB（Translation Lookaside Buffer）。
（2）兩個SB-1共享4路組關(guān)聯(lián)二級高速緩存（L2 Cache），每路128KB，共512KB。與其它系統(tǒng)不同的是，內(nèi)核與I/O DMA主設(shè)備共享這片緩存，就像緩存處于內(nèi)核和SDRAM（內(nèi)存）之間，所有對內(nèi)存的訪問都在二級緩存中檢驗。并且，每路Cache可以單獨設(shè)置為存儲器模式，作為存儲器使用，而且速度不變。
（3）面向網(wǎng)絡(luò)分組處理優(yōu)化的片內(nèi)公共高速總線Zbbus,256位（１個緩存線長cache line）數(shù)據(jù)寬度，速率是ＣＰＵ主頻的一半，將兩個ＣＰＵ、Ｌ２ Cache、SDRAM控制器和I/O橋等連接起來。總線使用MESI協(xié)議以保證兩個CPU、L2 Cache、內(nèi)存和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)的一致性。
（4）兩個內(nèi)核之間可以通過指令（ll、lld、sc和scd指令）和中斷等方式進行通信。每個內(nèi)核含有一個郵箱（mailbox）寄存器。當(dāng)一個內(nèi)核通過Zbbus總線訪問另一個內(nèi)核的郵箱寄存器時，產(chǎn)生中斷。
1.2 外圍控制模塊和多類型通信接口
（1）DDR SDRAM控制器包括兩個通道，每個通道64位數(shù)據(jù)寬度，另加8位ECC數(shù)據(jù)，支持兩條JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的133MHz DDR DIMM。每個通道的帶寬高達16Gbps。如果采用DRAM芯片，輔以嚴格的走線控制，速度可達到200MHz，帶寬高達50Gbps。ECC單元能夠檢測2位錯誤，糾正1位錯誤。
（2）一個遵循PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)的PCI接口，32位數(shù)據(jù)寬度，最高速率66MHz。內(nèi)部PCI仲裁器支持4個外部設(shè)備。
（3）一個遵循HyperTransport 1.03標(biāo)準(zhǔn)的HyperTransport接口（簡稱HT接口）。HyperTransport的性能比PCI總線高，是PCI總線的升級換代產(chǎn)品，由AMD公司在1999年的微處理器論壇上首先提出。HT設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的PCI配置方法。發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)寬度都是8位。HT總線的參考時鐘是100MHz，但是發(fā)送數(shù)據(jù)的速率可以是參考時鐘的6位，而且時鐘的上下邊沿都能觸發(fā)。
（4）三個遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的MAC控制器，支持10Mbps、100Mbps、1Gbps以太網(wǎng)接口，可以運行在全雙工或者半雙工模式，可以設(shè)置收發(fā)數(shù)據(jù)包的最大長度和最短長度，甚至支持16K～1B的大包。MAC控制器支持VLAN——一個便于組建虛擬局域網(wǎng)的標(biāo)志。不僅如此，控制器還能夠識別以太網(wǎng)包的類型、Ipv4包的校驗和TCP/UDP包的校驗和，并且能夠根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進行過濾，選擇是否接收廣播包。控制器包含32位RMON統(tǒng)計寄存器，可以統(tǒng)計接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)量、失敗次數(shù)、CRC出錯次數(shù)等。所以，有的資料將BCM1250稱作網(wǎng)絡(luò)處理器，因為其MAC的功能比普通MAC強大。
（5）除了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)接口還能夠配置成Packet FIFO模式。在此模式下，MAC控制器引腳復(fù)用作Packet FIFO，設(shè)置為8位或者16位數(shù)據(jù)通道，速率可達208MHz。
（6）兩個串口既可以工作于同步模式，也可以工作于異步模式的最高速率為5Mbps。兩個串口的模式選擇分別由AD[12]和AD[14]引腳在啟動時的電平?jīng)Q定。當(dāng)然，CPU可以通過系統(tǒng)配置寄存器改變串口模式。串口的同步模式分為兩種子模式：HDLC和Transparent。
（7）設(shè)備控制器向外引出通用總線，用于連接外圍設(shè)備。它有8個片選信號CS[0:7]，其中CS[0]專用于連接bootrom，CS[7]用于連接PCMCIA設(shè)備。每個片選空間的最大容量為256MB，可以獨立設(shè)置時序、數(shù)據(jù)寬度、地址空間等參數(shù)。上電時，CS[0]映射到4MB物理空間，從0x1FC00000～0x1FFFFFFF。0x1FC00000是MIPS處理器的啟動中斷入口地址。
（8）一個遵循PCMCAI 2.1標(biāo)準(zhǔn)的PCMCIA接口，支持外接PCMCIA存儲卡的熱插拔，能夠根據(jù)卡的插入和拔出相應(yīng)地上下電。PCMCIA接口、中斷、通用輸入輸出口三者的引腳是復(fù)用的，設(shè)計師應(yīng)根據(jù)實際需要決定取舍。PCMCIA接口需要消息10個GPIO引腳。
（9）16個GPIO引腳既可以配置成中斷引腳，也可以配置成普通數(shù)據(jù)輸入輸出引腳或者PCMCIA接口。
（10）兩個SMBus接口，遵循SMBus(系統(tǒng)管理總線)標(biāo)準(zhǔn)1.1，與I2C總線兼容。最高工作頻率為400kHz。系統(tǒng)可以選擇從SMBus 0接口的EEPROM啟動。啟動方式由引腳AD[17:18]在上電時的電平?jīng)Q定。
（11）多個DMA控制器。每個同步串口含有一個發(fā)送和接收DMA通道，每個網(wǎng)口有兩個支持QoS的發(fā)磅和接收DMA通道。還有4個專用于存儲器和其它設(shè)備（例如PCI，F(xiàn)lash）之間搬運數(shù)據(jù)的DMA。
（12）I/O橋0和I/O橋1將外圍模塊和內(nèi)部高速總線Zbbus隔離開來。
（13）兩個看門狗（Watchdog），4個通用定時器，4個40bit性能計數(shù)寄存器。定時器的最小單位為1μs。
（14）一個符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，方便了硬件調(diào)試和測試。
1．3 其它
（1）低功耗，運行在800MHz主頻下的功耗為8～10W。
（2）芯片既可以工作于Big Endian模式，也可以工作于Little Endian模式，取決上電時引腳AD[22]的電平。
（3）為減少抖動，外部100MHz時鐘以差分信號方式輸入到芯片，經(jīng)過內(nèi)部的PLL倍頻或分頻，分別輸送給內(nèi)核、存儲器、Zbbus、HT接口、定時器、波特率發(fā)生器等單元。
（4）內(nèi)核電壓和HT接口電壓為1.2V，DDR SDRAM接口電壓為2.5V,其它模塊接口電壓為3.3V。
2 應(yīng)用與實現(xiàn)的探討
2．1 典型應(yīng)用
圖2是BCM1250的典型應(yīng)用框圖，配合不同的外圍器件，可以構(gòu)成多種應(yīng)用方式。PMC插槽可以擴展多種應(yīng)用，例如網(wǎng)卡、DSP卡、IPSec卡等，DDR SDRAM既可以是內(nèi)存條，也可以是焊在電路板上的SDRAM芯片。串行設(shè)備可以是EEPROM或者實時時鐘芯片等，其它設(shè)備可以是USB控制器等。本系統(tǒng)的特點是可靠性高、擴展性強、通信接口多、占用空間少，適合于大型路由器、VoIP網(wǎng)關(guān)、交換機、無線基站等高端場合。
2.2 啟動
因為是雙核CPU，所以在實現(xiàn)過程中應(yīng)特別注意合理安排系統(tǒng)的啟動順序。上電后，上電復(fù)位信號COLDRES_L必須保持為低電平直到電源和參考時鐘穩(wěn)定在工作范圍之內(nèi)；然后BCM1250讀取配置PLL倍頻系數(shù)的引腳電平，從AD引腳讀取系統(tǒng)其它配置信息，例如，是否選用PCI內(nèi)部仲裁器，串口是否工作在同步模式等。啟動時，芯片根據(jù)AD[17：18]信號電平，選擇從掛在通用總線CS0上的Flash，或者從SMBus 0口的串行EEPROM讀取啟動代碼。
圖3以Windriver公司的VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)為例，說明了啟動順序。其它操作系統(tǒng)的啟動順序類似。CPU0首先初始化，CPU1保持啟動狀態(tài)，等待CPU0完成基本的內(nèi)核初始化、串口初始化、L1 Cache和L2 Cache的初始化；然后CPU0對CPU1初始化，包括內(nèi)核的基本初始化和CPU1內(nèi)部的L1 Cache初始化；接著，CPU1再次等待，CPU0對DDR SDRAM進行初始化，再將操作系統(tǒng)等數(shù)據(jù)從ROM復(fù)制到SDRAM，通知CPU1，然后啟動操作系統(tǒng)；CPU1收到通知后，也將數(shù)據(jù)從ROM復(fù)制到SDRAM，運行操作系統(tǒng)的復(fù)本。較早地初始化串口，是為了便于通過計算機屏幕及監(jiān)測系統(tǒng)的啟動狀況，判斷故障所在。
2．3 選擇操作系統(tǒng)的考慮
因為BCM1250是一種SMP系統(tǒng)，所以選擇操作系統(tǒng)時應(yīng)考慮SMP系統(tǒng)的特點，充分發(fā)揮BCM1250的雙內(nèi)核特性。與單核處理器相比，SMP系統(tǒng)的優(yōu)勢是顯然的：
（1）在完成一組任務(wù)時，兩個CPU并行運行比一個CPU單獨運行的速度快得多。
（2）即使有一個CPU出現(xiàn)了致命故障，另一個CPU也能無縫地接管它的工作，降低系統(tǒng)的停工時間。
SMP系統(tǒng)與分布式多處理器的區(qū)別在于：在一個分布式多處理器系統(tǒng)中，處理單元個體通常以單獨節(jié)點的形式存在，每個這樣的節(jié)點中的處理器類型可以不同，并且各自配備內(nèi)存和I/O設(shè)備。每個處理器可以運行自己的操作系統(tǒng)，只通過一種互連方式（例如以太網(wǎng)），利用消息或旗語來與其它處理器同步。而緊耦合共享內(nèi)存SMP系統(tǒng)則不同。在SMP系統(tǒng)中，所有的處理器都運行操作系統(tǒng)的同一個副本，該操作系統(tǒng)可協(xié)調(diào)每個相似的CPU上同時發(fā)生的活動。由于緊耦合CPU所訪問的是一個公共內(nèi)存區(qū)，所以它們必須通過一種基于低延時共享內(nèi)存的通信機制實現(xiàn)相互之間的同步。這對操作系統(tǒng)提出了要求。
其次，如果操作系統(tǒng)選擇得當(dāng)，能使硬件中確切的處理單元數(shù)對應(yīng)用程序員透明。于是應(yīng)用軟件就能不進行任何針對SMP的修改而運行。
再次，BCM1250同時有兩個任務(wù)在運行，兩個CPU都可以處理中斷，所以操作系統(tǒng)還必須具備“旋轉(zhuǎn)鎖”等機制，保證任務(wù)的合理調(diào)度和中斷的及時處理。
業(yè)界流行的MontaVistaLinux專業(yè)版、VxWorks等RTOS均支持SMP系統(tǒng)。當(dāng)然，用戶也可以將單處理器RTOS擴展為支持SMP的系統(tǒng)。
雖然BCM1250比單內(nèi)核處理器在結(jié)構(gòu)上只多了一個內(nèi)核，但是在啟動順序、任務(wù)調(diào)度、中斷管理等方面卻有著較大的差別，相應(yīng)地對RTOS提出了較高的要求。BCM1250主要用于高端設(shè)備，在國內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用還不普及。
