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【摘 要】航电系统正朝着高度综合化的方向发展，越来越多的模块被集成在单一系统中，随之带来了面积、功耗过大以及板间布线复杂的问题。航电系统综合化、小型化和低功耗的需求以及工艺水平的提升，为单芯片集成多处理器内核的设计提供了支撑。本文提出一种面向综合化航电系统的Power架构双核处理器系统设计方案，首先对双核处理器系统架构进行描述，在此基础上详细分析了总线互连、复位策略、存储一致性等关键技术。该方案可广泛应用于高度综合化航电系统设计领域。
【关键词】Power架构；双核；总线互连；存储一致性
引言
航电系统目前正在向高度综合化方向发展[1]，大量的红外、射频、信号处理、数字处理模块[2]被综合到一个系统，这对航电系统的性能、带宽、功耗、散热提出了严峻的挑战。将多模块集成为单芯片，能够大幅度减少元器件种类和板间连接器，有效解决面积、功耗和散热等问题。因此采用面向综合化航电系统的专用单芯片双核处理器设计成为绝佳的解决方案[3]。
PowerPC是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器，以其优异的性能、较低的能耗以及较低的散热量被广泛应用于嵌入式环境[4]。本文提出面向综合化航电系统的Power架构双核处理器系统设计方案，内部集成两个高性能PowerPC处理器，主处理器负责数据处理，从处理器负责FC-ASM协议[5]处理。主、从处理器之间通过DDR2存储器交换数据。本文对基于Power架构的双核乃至多核处理器开发具有一定的参考价值。
1.面向综合化航电系统的Power架构双核处理器架构设计
根据主、从处理器的功能划分，提出面向综合化航电系统的Power架构双核处理器架构设计。主处理器集成了PCIe、SRIO主机接口和DDR2控制器，同时对FC-ASM协议处理模块开放一个高速数据接口，提供了一条主机——DDR2存储器——FC-ASM协议处理模块之间的数据处理高速通道。从处理器对FC-ASM协议处理模块开放一个配置接口，提供了初始化以及寄存器配置通道。主、从处理器通过外部存储复用接口访问片外FLASH，片外FLASH存放着处理器上电所需的初始化程序。
2.总线互连
主、从处理器以及周边模块之间通过PLB4总线[6]进行互连。PLB4总线是高性能数据总线，用于在高速主、从设备之间进行读数据和写数据的快速交换。PLB4总线包含64位地址线、128位数据线。每一个PLB主设备通过独立的地址线、写数据线、读数据线和控制信号连接到PLB4总线上；而每一个PLB从设备通过共享的地址线、读数据线、写数据线、控制和状态信号连接到PLB4总线上。各个设备对PLB总线的访问是通过一个集中的总线仲裁器来完成总线控制的分配。
考虑到PCIe、SRIO主机接口与FC-ASM协议处理模块之间需要通過DDR2存储器交换大量数据，因此在主处理器PLB0总线上只分配DDR2控制器一个从设备；其余从设备被分配在主处理器的PLB1总线上。两条相对独立的数据通路：PCIe、SRIO、FC-ASM协议处理模块与DDR2存储器之间的FC通信数据通路；主处理器与FLASH存储之间的程序加载数据通路[7]。
从处理器对冗余的周边模块进行裁剪，只保留了与处理器核和FC-ASM模块正常工作相关的模块。
3.复位策略
复位分为硬件复位、软件复位和看门狗复位三种方式[8-9]，其中主处理器和从处理器具有独立的软件复位和看门狗复位。硬件复位结束后，主处理器开始初始化并从外部FLASH加载程序[10～12]，待主处理器程序加载完成后，从处理器开始初始化并从外部FLASH加载程序。
4.存储一致性信号量方案
主、从处理器之间通过DDR2存储器交换数据，为了保证存储一致性[13～14]，本文提出了一种信号量的解决方案。主、从处理器共享一个信号量寄存器。如果从处理器要对DDR2存储器进行访问，应先读取信号量寄存器，如果寄存器值为“0”，表明主处理器正在对DDR2存储器进行访问。主处理器完成对DDR2存储器的访问后，对信号量寄存器进行写操作，写操作会将信号量寄存器主处理器端置“0”，从处理器端置“1”。从处理器读取到信号量寄存器值为“1”后，表明从处理器可以发起对DDR2存储器的访问。信号量解决方案提供了主、从处理器对共享的DDR2存储器的互斥操作机制，保证了存储一致性。
5.总结
本论文提出了面向综合化航电系统的Power架构双核处理器系统设计方案，详细论述了架构设计、总线互连、复位策略、存储一致性设计。本论文面向航电系统特定应用，将多模块集成到单片，有效解决了原系统存在的面积、功耗、散热、布线复杂等问题。本文对基于Power架构的双核乃至多核处理器开发具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]李成文，李鹏，湛文韬，何小亚，刘宇，高杨.一种小型化高性能综合处理系统的设计与实现.航空计算技术，2014.44（4）：121-125.
[2]航电系统向深度和广度发展.www.baidu.com.1MPC8641DIntegrated Host ProcessorFamily Reference Manual.Freescale.2008.
[3]潘越，宋萍，李科杰.基于PowerPC和FPGA的小型无人直升机飞行控制计算机系统设计.计算机测量与控制.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]林学龙.MPC8xx系列处理器的嵌入式系统复位电路设计.单片机与嵌入式系统应用.2005.4：80-83.
[6]王勇.基于MPC8641D处理器的对称多处理技术研究.信息与电脑.2010.5：22-23.
[7]周洪，沈华.基于MPC8640处理器的通用处理模块硬件设计.电脑知识与技术.2014.10（20）：4922-4925.
[8]许伟，冯萍，郭海山.光纤通道交换网络接口卡的零拷贝技术研究与实现计算机测量与控制.2008.16（3）：366-369.
[9]王长清，岑凡，蔡惠智.基于PowerPC架构多核处理器嵌入式系统硬件设计.微计算机信息.2010.26（6-2）：6-7.
[10]陈海荣.基于双核PowerPC处理器的高性能计算模块设计.计算机测量与控制.2011.19（11）：2824-2827.
[11]刘丽君，贺占庄，李灏.基于PowerPC的嵌入式系统硬件设计[J].计算机技术与发展，2008，（2）：251，253.
【关键词】Power架构；双核；总线互连；存储一致性
引言
航电系统目前正在向高度综合化方向发展[1]，大量的红外、射频、信号处理、数字处理模块[2]被综合到一个系统，这对航电系统的性能、带宽、功耗、散热提出了严峻的挑战。将多模块集成为单芯片，能够大幅度减少元器件种类和板间连接器，有效解决面积、功耗和散热等问题。因此采用面向综合化航电系统的专用单芯片双核处理器设计成为绝佳的解决方案[3]。
PowerPC是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器，以其优异的性能、较低的能耗以及较低的散热量被广泛应用于嵌入式环境[4]。本文提出面向综合化航电系统的Power架构双核处理器系统设计方案，内部集成两个高性能PowerPC处理器，主处理器负责数据处理，从处理器负责FC-ASM协议[5]处理。主、从处理器之间通过DDR2存储器交换数据。本文对基于Power架构的双核乃至多核处理器开发具有一定的参考价值。
1.面向综合化航电系统的Power架构双核处理器架构设计
根据主、从处理器的功能划分，提出面向综合化航电系统的Power架构双核处理器架构设计。主处理器集成了PCIe、SRIO主机接口和DDR2控制器，同时对FC-ASM协议处理模块开放一个高速数据接口，提供了一条主机——DDR2存储器——FC-ASM协议处理模块之间的数据处理高速通道。从处理器对FC-ASM协议处理模块开放一个配置接口，提供了初始化以及寄存器配置通道。主、从处理器通过外部存储复用接口访问片外FLASH，片外FLASH存放着处理器上电所需的初始化程序。
2.总线互连
主、从处理器以及周边模块之间通过PLB4总线[6]进行互连。PLB4总线是高性能数据总线，用于在高速主、从设备之间进行读数据和写数据的快速交换。PLB4总线包含64位地址线、128位数据线。每一个PLB主设备通过独立的地址线、写数据线、读数据线和控制信号连接到PLB4总线上；而每一个PLB从设备通过共享的地址线、读数据线、写数据线、控制和状态信号连接到PLB4总线上。各个设备对PLB总线的访问是通过一个集中的总线仲裁器来完成总线控制的分配。
考虑到PCIe、SRIO主机接口与FC-ASM协议处理模块之间需要通過DDR2存储器交换大量数据，因此在主处理器PLB0总线上只分配DDR2控制器一个从设备；其余从设备被分配在主处理器的PLB1总线上。两条相对独立的数据通路：PCIe、SRIO、FC-ASM协议处理模块与DDR2存储器之间的FC通信数据通路；主处理器与FLASH存储之间的程序加载数据通路[7]。
从处理器对冗余的周边模块进行裁剪，只保留了与处理器核和FC-ASM模块正常工作相关的模块。
3.复位策略
复位分为硬件复位、软件复位和看门狗复位三种方式[8-9]，其中主处理器和从处理器具有独立的软件复位和看门狗复位。硬件复位结束后，主处理器开始初始化并从外部FLASH加载程序[10～12]，待主处理器程序加载完成后，从处理器开始初始化并从外部FLASH加载程序。
4.存储一致性信号量方案
主、从处理器之间通过DDR2存储器交换数据，为了保证存储一致性[13～14]，本文提出了一种信号量的解决方案。主、从处理器共享一个信号量寄存器。如果从处理器要对DDR2存储器进行访问，应先读取信号量寄存器，如果寄存器值为“0”，表明主处理器正在对DDR2存储器进行访问。主处理器完成对DDR2存储器的访问后，对信号量寄存器进行写操作，写操作会将信号量寄存器主处理器端置“0”，从处理器端置“1”。从处理器读取到信号量寄存器值为“1”后，表明从处理器可以发起对DDR2存储器的访问。信号量解决方案提供了主、从处理器对共享的DDR2存储器的互斥操作机制，保证了存储一致性。
5.总结
本论文提出了面向综合化航电系统的Power架构双核处理器系统设计方案，详细论述了架构设计、总线互连、复位策略、存储一致性设计。本论文面向航电系统特定应用，将多模块集成到单片，有效解决了原系统存在的面积、功耗、散热、布线复杂等问题。本文对基于Power架构的双核乃至多核处理器开发具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]李成文，李鹏，湛文韬，何小亚，刘宇，高杨.一种小型化高性能综合处理系统的设计与实现.航空计算技术，2014.44（4）：121-125.
[2]航电系统向深度和广度发展.www.baidu.com.1MPC8641DIntegrated Host ProcessorFamily Reference Manual.Freescale.2008.
[3]潘越，宋萍，李科杰.基于PowerPC和FPGA的小型无人直升机飞行控制计算机系统设计.计算机测量与控制.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]林学龙.MPC8xx系列处理器的嵌入式系统复位电路设计.单片机与嵌入式系统应用.2005.4：80-83.
[6]王勇.基于MPC8641D处理器的对称多处理技术研究.信息与电脑.2010.5：22-23.
[7]周洪，沈华.基于MPC8640处理器的通用处理模块硬件设计.电脑知识与技术.2014.10（20）：4922-4925.
[8]许伟，冯萍，郭海山.光纤通道交换网络接口卡的零拷贝技术研究与实现计算机测量与控制.2008.16（3）：366-369.
[9]王长清，岑凡，蔡惠智.基于PowerPC架构多核处理器嵌入式系统硬件设计.微计算机信息.2010.26（6-2）：6-7.
[10]陈海荣.基于双核PowerPC处理器的高性能计算模块设计.计算机测量与控制.2011.19（11）：2824-2827.
[11]刘丽君，贺占庄，李灏.基于PowerPC的嵌入式系统硬件设计[J].计算机技术与发展，2008，（2）：251，253.