??? 摘?要: 介紹了基于MIPS指令集的嵌入式處理器BCM1250的雙內核、大容量片內緩存、多類型通信接口等主要特性，并對其應用方案、啟動過程、操作系統選擇等進行了探討。
??? 關鍵詞: MIPS 嵌入式? RTOS? SMP
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??? 1983年，斯坦福大學的John L. Hennessy成功完成了第一個采用RISC理念的MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）微處理器。次年，他在硅谷創立了MIPS公司。該公司本身不生產微處理器，只設計高性能工業級的32位和64位CPU的體系結構，并且向其他半導體公司提供使用其內核（IP）的授權，用于生產基于MIPS而又各具特色的微處理器。目前已經有50多家公司申請了授權，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公司開發的BCM1250一舉奪得了當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公司開發的基于MIPS架構的雙內核、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”的內核（CPU0和CPU1）。SB-1內核不僅實現了標準的MIPS64指令集架構，而且增加了MIPS-3D和MIPS-MDMX專用擴展指令。在1GHz時，兩個內核具有4000MIPS或10Mpps的處理能力。
??? BCM1250是一種緊耦合" title="緊耦合">緊耦合共享內存對稱式多處理器（SMP）。SMP系統定義為通過一個公共高速總線" title="高速總線">高速總線，將多個相同的處理器與內存和I/O" title="I/O">I/O設備等一系列外圍設備連接起來的系統。“對稱”意味著每個處理器在訪問共享內存和外圍設備時，訪問機制相同。所謂“緊耦合”是指各內核個體之間距離很近，并通過一個通用高速總線實現物理互連。這些內核通過公共高速總線共享一個全局內存模塊(即共享內存)以及諸多外圍設備。
??? 圖1是BCM1250的內部結構框圖。主要特點如下。
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1．1 高性能雙內核和大容量緩存
??? （1） 兩個64位MIPS內核SB-1。每個內核能夠在一個時鐘周期發射4條指令。每個內核包含32KB 4路組關聯指令緩存和32KB 4路組關聯數據緩存，64對入口的全關聯TLB（Translation Lookaside Buffer）。
??? （2）兩個SB-1共享4路組關聯二級高速緩存（L2 Cache）， 每路128KB，共512KB。與其它系統不同的是，內核與I/O DMA主設備共享這片緩存，就像緩存處于內核和SDRAM（內存）之間，所有對內存的訪問都在二級緩存中檢驗。并且，每路Cache可以單獨設置為存儲器模式，作為存儲器使用，而且速度不變。
??? （3）面向網絡分組處理優化的片內公共高速總線ZBbus，256位（1個緩存線長cache line）數據寬度，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協議以保證兩個CPU、L2 Cache、內存和外部設備的數據的一致性。
??? （4） 兩個內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。每個內核含有一個郵箱（mailbox）寄存器。當一個內核通過ZBbus總線訪問另一個內核的郵箱寄存器時，產生中斷。
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位數據寬度，另加8位ECC數據，支持兩條JEDEC標準的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標準的PCI接口，32位數據寬度，最高速率66MHz。內部PCI仲裁器支持4個外部設備。
??? （3） 一個遵循HyperTransport 1.03標準的HyperTransport接口（簡稱HT接口）。HyperTransport的性能比PCI總線高，是PCI總線的升級換代產品，由AMD公司在1999年的微處理器論壇上首先提出。HT設備采用標準的PCI配置方法。發送和接收的數據寬度都是8位。HT總線的參考時鐘是100MHz，但是發送數據的速率可以是參考時鐘的6倍，而且時鐘的上下邊沿都能觸發。
??? （4） 三個遵循IEEE802.3標準的MAC控制器，支持10Mbps、100Mbps、1Gbps以太網接口，可以運行在全雙工或者半雙工模式，可以設置收發數據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的標志。不僅如此，控制器還能夠識別以太網包的類型、IPv4包的校驗和TCP/UDP包的校驗和，并且能夠根據數據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個RMON統計寄存器，可以統計接收和發送的數據量、失敗次數、CRC出錯次數等。所以，有的資料將BCM1250稱作網絡處理器，因為其MAC的功能比普通MAC強大。
??? （5） 除了標準的以太網模式，網絡接口還能夠配置成Packet FIFO模式。在此模式下，MAC控制器引腳復用作Packet FIFO，設置為8位或者16位數據通道，速率可達208MHz。
??? （6） 兩個串口" title="串口">串口既可以工作于同步模式，也可以工作于異步模式（UART）。同步模式的最高速率為55Mbps，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決定。當然，CPU可以通過系統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） 設備控制器向外引出通用總線，用于連接外圍設備。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設備。每個片選空間的最大容量為256MB，可以獨立設置時序、數據寬度、地址空間等參數。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PCMCIA 2.1標準的PCMCIA接口，支持外接PCMCIA存儲卡的熱插拔，能夠根據卡的插入和拔出相應地上下電。PCMCIA接口、中斷、通用輸入輸出口三者的引腳是復用的，設計師應根據實際需要決定取舍。PCMCIA接口需要消耗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據輸入輸出引腳或者PCMCIA接口。
??? （10） 兩個SMBus接口，遵循SMBus（系統管理總線）標準1.1，與I2C總線兼容。最高工作頻率為400kHz。系統可以選擇從SMBus 0接口的EEPROM啟動。啟動方式由引腳AD[17:18]在上電時的電平決定。
??? （11） 多個DMA控制器。每個同步串口含有一個發送和接收DMA通道，每個網口有兩個支持QoS的發送和接收DMA通道。還有4個專用于存儲器和其它設備（例如PCI，Flash）之間搬運數據的DMA。
??? （12） I/O橋0和I/O橋1將外圍模塊和內部高速總線ZBbus隔離開來。
??? （13） 兩個看門狗（Watchdog），4個通用定時器，4個40bit性能計數寄存器。定時器的最小單位為1μs。
??? （14） 一個符合IEEE 1149.1標準的JTAG接口,方便了硬件調試和測試。
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，經過內部的PLL倍頻或分頻，分別輸送給內核、存儲器、ZBbus、HT接口、定時器、波特率發生器等單元。
??? （4） 內核電壓和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 應用與實現的探討
2．1 典型應用
??? 圖2是BCM1250的典型應用框圖，配合不同的外圍器件，可以構成多種應用方式。PMC插槽可以擴展多種應用，例如網卡、DSP卡、IPSec卡等，DDR SDRAM既可以是內存條，也可以是焊在電路板上的SDRAM芯片。串行設備可以是EEPROM或者實時時鐘芯片等，其它設備可以是USB控制器等。本系統的特點是可靠性高、擴展性強、通信接口多、占用空間少，適合于大型路由器、VoIP網關、交換機、無線基站等高端場合。
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2．2 啟動
??? 因為是雙核CPU，所以在實現過程中應特別注意合理安排系統的啟動順序" title="啟動順序">啟動順序。上電后，上電復位信號COLDRES_L必須保持為低電平直到電源和參考時鐘穩定在工作范圍之內；然后BCM1250讀取配置PLL倍頻系數的引腳電平，從AD引腳讀取系統其它配置信息，例如，是否選用PCI內部仲裁器，串口是否工作在同步模式等。啟動時，芯片根據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為例，說明了啟動順序。其它操作系統的啟動順序類似。CPU0首先初始化，CPU1保持啟動狀態，等待CPU0完成基本的內核初始化、串口初始化、L1 Cache和L2 Cache的初始化；然后CPU0對CPU1初始化，包括內核的基本初始化和CPU1內部的L1 Cache初始化；接著，CPU1再次等待，CPU0對DDR SDRAM進行初始化，再將操作系統等數據從ROM復制到SDRAM，通知CPU1，然后啟動操作系統；CPU1收到通知后，也將數據從ROM復制到SDRAM，運行操作系統的復本。較早地初始化串口，是為了便于通過計算機屏幕及時監測系統的啟動狀況，判斷故障所在。
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2．3? 選擇操作系統的考慮
??? 因為BCM1250是一種SMP系統，所以選擇操作系統時應考慮SMP系統的特點，充分發揮BCM1250的雙內核特性。與單核處理器相比，SMP系統的優勢是顯然的：
??? （1） 在完成一組任務時，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出現了致命故障，另一個CPU也能無縫地接管它的工作，降低系統的停工時間。
??? SMP系統與分布式多處理器的區別在于：在一個分布式多處理器系統中，處理單元個體通常以單獨節點的形式存在，每個這樣的節點中的處理器類型可以不同，并且各自配備內存和I/O設備。每個處理器可以運行自己的操作系統，只通過一種互連方式（例如以太網），利用消息或旗語來與其它處理器同步。而緊耦合共享內存SMP系統則不同。在SMP系統中，所有的處理器都運行操作系統的同一個副本，該操作系統可協調每個相似的CPU上同時發生的活動。由于緊耦合CPU所訪問的是一個公共內存區，所以它們必須通過一種基于低延時共享內存的通信機制實現相互之間的同步。這對操作系統提出了要求。
??? 其次，如果操作系統選擇得當，能使硬件中確切的處理單元數對應用程序員透明。于是應用軟件就能不進行任何針對SMP的修改而運行。
??? 再次，BCM1250同時有兩個任務在運行，兩個CPU都可以處理中斷，所以操作系統還必須具備“旋轉鎖”等機制，保證任務的合理調度和中斷的及時處理。
??? 業界流行的MontaVista Linux專業版、VxWorks等RTOS均支持SMP系統。當然，用戶也可以將單處理器RTOS擴展為支持SMP的系統。
??? 雖然BCM1250比單內核處理器在結構上只多了一個內核，但是在啟動順序、任務調度、中斷管理等方面卻有著較大的差別，相應地對RTOS提出了較高的要求。BCM1250主要用于高端設備，在國內的開發應用還不普及。
參考文獻
1 Broadcom Inc.BCM1250 User's Manual.2002.10
2 Broadcom Inc.BCM1250 Product Brief.2002
3 Srinivas Dharmasanam.面向多處理器應用的實時操作系統設計策略.電子工程專輯，2004;(2)