Leon2處理器IP核技術(shù)(2)

    AMBA(Advanced Microntroller Bus Architecture)規(guī)范，是一種已制定的、開(kāi)放的規(guī)范，充當(dāng)著SoC設(shè)計(jì)的架構(gòu)，正迅速成為SoC和IP庫(kù)開(kāi)發(fā)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，為高性能嵌入式微控制器設(shè)計(jì)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(xiàn)，即AHB、ASB和APBAHB是為高性能、高時(shí)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(xiàn)、支持多處理器、片上各種存儲(chǔ)器和片外外部存儲(chǔ)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(diǎn)無(wú)需要時(shí)，就可以用ASB來(lái)代替；它也支持多處理器、片上各種存儲(chǔ)器和片外外部存儲(chǔ)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)化到為最小功耗和減小接口的復(fù)雜性來(lái)支持輔助功能。

    圖3是AMBA總線(xiàn)微控制器的典型結(jié)構(gòu)。它含有一套高性能的背板總線(xiàn)，AHB或ASB；它能支撐外部存儲(chǔ)器帶寬，在這套總線(xiàn)掛接著CPU、片上存儲(chǔ)器和其他DMA設(shè)備。通過(guò)一個(gè)橋接器，可以把AHB和APB總線(xiàn)連接起來(lái)。APB上面連接著大多數(shù)的輔助設(shè)備，如UART、定時(shí)器、PIO等。

2.3 容錯(cuò)問(wèn)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(cuò)策略；奇偶校驗(yàn)、TMR(三模冗余)寄存器、片上EDAC(檢錯(cuò)和糾錯(cuò))、流水線(xiàn)重啟、強(qiáng)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(cuò)措施，如奇偶校驗(yàn)、流水線(xiàn)重啟等，像IBM S／390 G5還采用了寫(xiě)階段以前的全部流水線(xiàn)復(fù)制技術(shù)．IntelItanium采用的混合ECC和校驗(yàn)編碼等技術(shù)；但遠(yuǎn)沒(méi)有Leon2那樣，采用如此全面的容錯(cuò)措施。

   Leon2將時(shí)序(存儲(chǔ))單元的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)作為數(shù)字容錯(cuò)的主要內(nèi)容，根據(jù)時(shí)序邏輯的不同特點(diǎn)和性質(zhì)，采用了不同的容錯(cuò)技術(shù)和手段．

①Cache的容錯(cuò)。大的Cache對(duì)高性能CPU來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，而且位于處理器的關(guān)鍵(時(shí)間)通路上。為了減少?gòu)?fù)雜性和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，錯(cuò)誤檢測(cè)的方法采用2位的奇偶校驗(yàn)位，l位用作奇校驗(yàn)，l位偶校驗(yàn)，因此可以檢查所有的錯(cuò)誤情況，在讀Cache的同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)校驗(yàn)出錯(cuò)誤，強(qiáng)制Cache丟失，并從外部存儲(chǔ)去獲取數(shù)據(jù)。

②處理器寄存器文件的錯(cuò)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(duì)于指令的運(yùn)行速度和用戶(hù)程序設(shè)計(jì)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(yàn)位和(32.7)BCH校驗(yàn)和進(jìn)行容錯(cuò)。

③觸發(fā)器的錯(cuò)誤保護(hù)。處理器的2500個(gè)觸發(fā)器均采用三模冗余的方式進(jìn)行容錯(cuò)，通過(guò)表決器來(lái)決出正確的輸出。

④外部存儲(chǔ)器的錯(cuò)誤保護(hù)。采用掛上的EDAC單元實(shí)現(xiàn)。EDAC：采用標(biāo)準(zhǔn)的(32.7)BCH碼，每32位字可糾正1位錯(cuò)誤和檢測(cè)2位錯(cuò)誤。

⑤主檢測(cè)模式。是指兩個(gè)相同的處理器同時(shí)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(cè)模式的處理器輸出結(jié)果。在內(nèi)部，將檢測(cè)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(cuò)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(wèn)題。因?yàn)樯厦娼榻B的五種方法，只有在對(duì)相應(yīng)的單元進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)才進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。如果存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)不常使用，這些單元的錯(cuò)誤會(huì)逐漸增加，因此必須使用一些軟件的方法來(lái)實(shí)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(yǔ)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(jì)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(jí)低、仿真時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。“二進(jìn)程”編碼風(fēng)格的具體措施是：①所有的端口和信號(hào)聲明采用記錄的形式進(jìn)行說(shuō)明，如按輸入輸出分類(lèi)進(jìn)行記錄說(shuō)明；②每個(gè)實(shí)體只有兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)組合進(jìn)程和一個(gè)時(shí)序進(jìn)程；③在組合進(jìn)程中全部采用變量(而不是信號(hào))，以使用結(jié)構(gòu)化的順序編碼方式；④在時(shí)序進(jìn)程中通過(guò)時(shí)鐘同步，進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

    “二進(jìn)程”的編碼風(fēng)格的模型可用圖4來(lái)表示。它基本與狀態(tài)機(jī)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(lái)完成下一個(gè)時(shí)鐘周期的輸出和下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。時(shí)序進(jìn)程部分是在時(shí)鐘的作用下，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動(dòng)。

3 軟硬件開(kāi)發(fā)

3.1 VHDL

    Leon2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(cè)試文件、綜合支持文件、Leon2調(diào)試用的C語(yǔ)言源文件等，便于對(duì)Leon2進(jìn)行硬件和軟件方面的測(cè)試。

    Leon2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過(guò)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(duì)包文件device．vhd進(jìn)行手動(dòng)編輯來(lái)完成。配置主要是通過(guò)修改一系列的常數(shù)的聲明值來(lái)實(shí)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(kù)。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Virtex II(FPGA)、Atmel的ATC35和ACT25(0.35／0.25μm CMOS)、TSMC 0.25μm CMOS、UMC 0.25／0.18μm CMOS、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(guān)察點(diǎn)的配置。寄存器窗口可以設(shè)置為2~32個(gè)，但為了同交叉編譯器LECCS兼容必須配置為8個(gè)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(diǎn)處理單元FPU的配置，可以配置為使用meiko或是lth兩種浮點(diǎn)處理器之一。④Cache。Cache組的有效大小可以配置為1~64 KB，但必須是2的次冪，每行可以設(shè)置成4~8個(gè)字，組的數(shù)量可以是1~4。替換算法可以是隨機(jī)、LRR或LRU，并且指令Cache和數(shù)據(jù)Cache是獨(dú)立進(jìn)行配置的。⑤存儲(chǔ)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(mén)狗等。⑧引導(dǎo)配置。⑨AMHB總線(xiàn)的相關(guān)配置。⑩PCI配置。

   Leon2有四個(gè)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(gè)10／100 Mbps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(gè)10／100 Mbps以太網(wǎng)MAC以及PCI接口構(gòu)成的頂層。

在上述四個(gè)頂層的下面，可以很容易地集成用戶(hù)自己的功能模塊。