Leon2微處理器IP核原理及應用

引 言
Leon2是GaislerResearch公司于2003年研制完成的一款32位、符合IEEE-1754(SPARCVS)結構的處理器IP核。它的前身是歐空局研制的Leon以及ERC32。Leon2的目標主要是權衡性能和價格、高的可靠性、可移植性、可擴展性、軟件兼容性等．其內(nèi)部硬件資源可裁剪(可配置)、主要面向嵌入式系統(tǒng)，可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術實現(xiàn)。Leon2處理器的片上資源如下：分離的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、具有跟蹤緩沖器的調(diào)試支持單元(DSU)、2個24位定時器、2個通用異步串口(UART)、低功耗模式、看門狗電路、16位I/O端口、靈活的存儲控制器、以太網(wǎng)MAC和PCI接口。Leon2的VHDL模塊可以在大多數(shù)綜合工具上進行綜合，可以在任何符合VHDL-87標準的仿真器上進行仿真；采用AMBA AHB／APB總線結構的用戶設計新模塊，可以很容易加入到Leon2中，完成用戶的定制應用。

Leon2在歐洲和美國都有眾多的應用者；國內(nèi)航天部77l所和中科院國家天文臺等單位正在研制基于Leon2的應用系統(tǒng)。為了使Leon2得到國內(nèi)業(yè)界的了解和進一步的應用，本文將從Leon2的結構、技術特點、軟硬件的開發(fā)過程和應用實例等四個方面進行介紹。在技術特點中，主要介紹了它所遵循的SPARCV8規(guī)范、采用的AMBH2．0內(nèi)部系統(tǒng)總線協(xié)議、容錯設計方法和VHDL編程風格等。

1 Leon2的結構
圖1是Leon2的片上結構框圖。整個系統(tǒng)結構由AMBA AHB和APB支撐，連接著SPARC處理器、Cache系統(tǒng)及片上外設等設備。

(1)處理器單元
處理器單元由整數(shù)單元IU、浮點單元FPU、協(xié)處理器單元CP構成。整數(shù)單元的特點有：5級指令流水、分離的數(shù)據(jù)和指令Cache、支持2~32個寄存器窗口、可選的4個觀察口寄存器、可配置乘法器、可選的1616位MAC(40位累加器)、基2除法器?？芍С值母↑c處理器有GaislerResearch的GRFPU，Sun Microsystems的Meiko FPU或其他通用浮點處理單元。Leon2提供了一個通用的用戶可定義的協(xié)處理器，同IU并行運行增強了系統(tǒng)功能。

(2)Cache子系統(tǒng)
可配置的模式有直接映射模式和2~4組相聯(lián)的多組相聯(lián)模式；可選的三種替換算法是LRU、LRR和偽隨機。

(3)片上外設
片上外設包括：2個中斷控制器、2個UART、2個Timer和1個Watchdog、16位的I／O口、存儲器控制器(PROM、SRAM、S13RAM)、PCI橋接器、Ethernet接口、高級片上調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器等．中斷控制器可以最大處理46個內(nèi)部和外部中斷。2個串行通信口 (UART)，支持8位數(shù)據(jù)幀、1位校驗位、1位停止位，支持硬件流控功能。調(diào)試支持單元(DSU)能夠把處理器設置到調(diào)試模式，通過它可以讀寫處理器的所有寄存器和Cache。DSU還包括一個跟蹤緩存，可以保存已執(zhí)行了的指令和AHB上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2 Leon2的技術特點
Leon2的技術特點主要有：采用SPARCV8結構、采用內(nèi)部AMBA總線結構、容錯設計和VHDL編程風格。

2.1 SPARC V8
SPARC是可擴展處理器體系架構的首字母縮略詞，是一個從RISC派生出的CPU指令集結構(ISA)。指令集結構是指：定義了指令、寄存器、指令和數(shù)據(jù)存儲器、指令執(zhí)行對寄存器和存儲器的影響、控制指令執(zhí)行的算法等內(nèi)容，但不定義時鐘周期、每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)(CPI)、數(shù)據(jù)通路等內(nèi)容。作為一個結構，SPARC允許在具有不同性能價格比的廣泛應用中，實現(xiàn)不同系列的芯片和系統(tǒng)，包括科學、工程、編程、實時和商業(yè)應用等。SPARC的設計目標是優(yōu)化編譯器和易于硬件流水線實現(xiàn)。

SPARC處理器由整數(shù)單元(IU)、浮點和協(xié)處理器單元(FPU和CP)構成。它們各自都有自己的寄存器，其中IU有8個全局寄存器、2~3N個寄存器窗口(由用戶設定)，浮點和協(xié)處理器單元的選擇依賴于具體應用。

(1)寄存器窗口
它是SPARC的最大技術特點。SPARC處理器包括兩種寄存器：一種是通用寄存器，另一種是控制／狀態(tài)寄存器。IU的通用寄存器叫r寄存器。一個IU的實現(xiàn)可能包括40~520個32位r寄存器。這些寄存器又被分成8個全局寄存器，再加上2~32個與實現(xiàn)有關的16位寄存器組，每一個寄存器組又進一步分為8個輸入寄存器和8個輸出寄存器。圖2是一個8窗口寄存器結構示意圖。在任何一個時刻，一條指令只能訪問8個全局寄存器和由當前窗口指針(CWP)指定的當前窗口。這個窗口是由8個輸入寄存器、8個局部寄存器和8個輸入寄存器構成。從圖2中可以看出，兩個相鄰窗口的入和出寄存器是共享的。當前是按窗口號順序(或前或后)轉換的，正好上一次的輸出寄存器成為當前窗口的輸入寄存器，這樣可以減少存儲器讀寫和運行時的現(xiàn)場保護。

(2)支持的數(shù)據(jù)格式
基本有三種：8／16／32／64位有符號整數(shù)、8／16／32／64位無符號整數(shù)、32／64／128位浮點數(shù)。浮點數(shù)格式符合ANSI／IEEE Standard 754-1985。

(3)Traps
它是一種矢量化的、通過一個包含每個陷阱句柄的前4條指令的特殊陷阱表，將控制轉向監(jiān)視軟件。陷阱種類有精確陷阱、延遲陷阱和中斷陷阱。

(4)指令集有
所有指令都編碼成32位格式，可以分成六個基本的類型，一共有72條指令。六種基本的指令分別是：①Load／store；②Arthmetic／logical／shift；③Control transfer；④Read／write control register；⑤Floating-point operate；⑥
Coprocessor operate。

(5)存儲器模式
SPARC的存儲器模型定義了存儲器操作的語義，指定了處理器發(fā)射出這些操作的順序與這些指令被存儲器執(zhí)行的順序是如何進行關聯(lián)的。標準的存儲器模型叫作TSO(Total Store Ordering)，所有的SPARC實現(xiàn)必須提供這個模型；另一個模型叫作PSO，它可以提供更高性能的存儲系統(tǒng)。

2.2 AMBA
AMBA(Advanced Microntroller Bus Architecture)規(guī)范，是一種已制定的、開放的規(guī)范，充當著SoC設計的架構，正迅速成為SoC和IP庫開發(fā)事實上的標準，為高性能嵌入式微控制器設計定義了一種片上通信標準．AMBA規(guī)范中定義了三種不同的總線，即AHB、ASB和APBAHB是為高性能、高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊提供的，擔任著高性能系統(tǒng)的背板總線、支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲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AHB的高性能特點無需要時，就可以用ASB來代替；它也支持多處理器、片上各種存儲器和片外外部存儲器接口連接到低功耗輔助宏單元。APB是為低功耗的外圍設備提供的，它優(yōu)化到為最小功耗和減小接口的復雜性來支持輔助功能。

圖3是AMBA總線微控制器的典型結構。它含有一套高性能的背板總線，AHB或ASB；它能支撐外部存儲器帶寬，在這套總線掛接著CPU、片上存儲器和其他DMA設備。通過一個橋接器，可以把AHB和APB總線連接起來。APB上面連接著大多數(shù)的輔助設備，如UART、定時器、PIO等。

2.3 容錯問題
為了適用于航空航天的高可靠性應用，Leon2采用多層次的容錯策略；奇偶校驗、TMR(三模冗余)寄存器、片上EDAC(檢錯和糾錯)、流水線重啟、強迫Cache不命中等．盡管現(xiàn)在幾乎所有CPU都有一些常規(guī)的容錯措施，如奇偶校驗、流水線重啟等，像IBM S／390 G5還采用了寫階段以前的全部流水線復制技術．IntelItanium采用的混合ECC和校驗編碼等技術；但遠沒有Leon2那樣，采用如此全面的容錯措施。

Leon2將時序(存儲)單元的狀態(tài)翻轉作為數(shù)字容錯的主要內(nèi)容，根據(jù)時序邏輯的不同特點和性質，采用了不同的容錯技術和手段．
①Cache的容錯。大的Cache對高性能CPU來說是至關重要的，而且位于處理器的關鍵(時間)通路上。為了減少復雜性和時間開銷，錯誤檢測的方法采用2位的奇偶校驗位，l位用作奇校驗，l位偶校驗，因此可以檢查所有的錯誤情況，在讀Cache的同時進行校驗。當校驗出錯誤，強制Cache丟失，并從外部存儲去獲取數(shù)據(jù)。
②處理器寄存器文件的錯誤保護。寄存器文件是處理器內(nèi)部的寄存器堆，內(nèi)部的寄存器對于指令的運行速度和用戶程序設計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)的正確性是也很關鍵。Leon2采用1、2奇偶校驗位和(32.7)BCH校驗和進行容錯。
③觸發(fā)器的錯誤保護。處理器的2500個觸發(fā)器均采用三模冗余的方式進行容錯，通過表決器來決出正確的輸出。
④外部存儲器的錯誤保護。采用掛上的EDAC單元實現(xiàn)。EDAC：采用標準的(32.7)BCH碼，每32位字可糾正1位錯誤和檢測2位錯誤。
⑤主檢測模式。是指兩個相同的處理器同時并行執(zhí)行相同的指令，只讓其中的主模式處理器輸出結果，不讓檢測模式的處理器輸出結果。在內(nèi)部，將檢測模式處理器的輸出同主模式處理器輸出進行比較，以檢查錯誤是否存在。這種工作模式，可以應用于要求更高可靠性的情況。
⑥在軟件上，還要考慮Cache的清洗問題。因為上面介紹的五種方法，只有在對相應的單元進行訪問時才進行錯誤檢查。如果存儲單元的數(shù)據(jù)不常使用，這些單元的錯誤會逐漸增加，因此必須使用一些軟件的方法來實現(xiàn)。

2.4 編碼風格
Leon2的VHDL編碼風格，同傳統(tǒng)以并發(fā)執(zhí)行的并發(fā)進程(或并發(fā)語句)作為模塊、所謂的“數(shù)據(jù)流”編碼風格不一樣，采用的是“二進程”的設計方法。這種編碼風格克服了“數(shù)據(jù)流”編碼方式的可讀性差、抽象級低、仿真時間長等缺點。“二進程”編碼風格的具體措施是：①所有的端口和信號聲明采用記錄的形式進行說明，如按輸入輸出分類進行記錄說明；②每個實體只有兩個進程，一個組合進程和一個時序進程；③在組合進程中全部采用變量(而不是信號)，以使用結構化的順序編碼方式；④在時序
進程中通過時鐘同步，進行狀態(tài)的轉換。

“二進程”的編碼風格的模型可用圖4來表示。它基本與狀態(tài)機模型一樣，只是組合進程部分，采用變量形式進行結構化順序編碼，來完成下一個時鐘周期的輸出和下一個狀態(tài)進行計算。時序進程部分是在時鐘的作用下，完成狀態(tài)轉換和輸出驅動。

3 軟硬件開發(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測試文件、綜合支持文件、Leon2調(diào)試用的C語言源文件等，便于對Leon2進行硬件和軟件方面的測試。

Leon2的內(nèi)部結構可以通過模塊配置，使處理器具有不同的功能結構。配置的方式可以采用tkconfig腳本進行圖形界面的方式進行，也可以直接對包文件device．vhd進行手動編輯來完成。配置主要是通過修改一系列的常數(shù)的聲明值來實現(xiàn)的。Leon2中許多模塊功能是可以進行配置的，這些配置信息是在包文件Target．vhd里進行聲明的。

Leon2可配置的內(nèi)容包括：①所采用的綜合工具和目標庫。綜合的技術可以是：Synplify、Synopsys-DC、Synopsys-FC2、XST和Leonardo等，目標技術可以是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、快速跳轉和觀察點的配置。寄存器窗口可以設置為2~32個，但為了同交叉編譯器LECCS兼容必須配置為8個窗口，乘法器可以配置成迭交、1616加流水寄存器、1616、328.3216、3232等形式。③浮點處理單元FPU的配置，可以配置為使用meiko或是lth兩種浮點處理器之一。④Cache。Cache組的有效大小可以配置為1~64 KB，但必須是2的次冪，每行可以設置成4~8個字，組的數(shù)量可以是1~4。替換算法可以是隨機、LRR或LRU，并且指令Cache和數(shù)據(jù)Cache是獨立進行配置的。⑤存儲器控制器。⑥Debug配置。⑦片上外設的配置，如中斷控制器、看門狗等。⑧引導配置。⑨AMHB總線的相關配置。⑩PCI配置。

Leon2有四個可綜合的頂層文件；
◇leon．vhd一一標準的Leon2頂層；
◇leon_pci.vhd一一標準的Leon2加上PCI接口構成的頂層；
◇leon_eth．vhd一一標準的Leon2加上一個10／100 Mbps以太網(wǎng)MAC構成的頂層；
◇leon_etn_pci．vhd一一標準的Leon2加上一個10／100 Mbps以太網(wǎng)MAC以及PCI接口構成的頂層。
在上述四個頂層的下面，可以很容易地集成用戶自己的功能模塊。

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)
同一般的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一樣，Leon2應用系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要采用交叉編譯環(huán)境來進行。Leon2應用系統(tǒng)軟件開發(fā)主要采用LECCS(Leon／ERC32 GUN交叉編譯系統(tǒng))。LECCS是由Cynus、OAR和Gaisler研究公司開發(fā)的多平臺開發(fā)系統(tǒng)，是基于GNU系列的可以自由獲取的、并帶有一系列附加“點”工具的開發(fā)系統(tǒng)。LECCS可以在Linux(-2.2.x或更高)、Solaris(-2.7或更高)和windows(Cygwin-1.1.7更高)等多種平臺上運行。要在Windows平臺上運行LECCS，必須安裝Cygwin。它一個是Unix層面模擬器。

LECCS包括如下程序包：GCC--3.2.3C／C++編譯器、RTEMS--4.6.0-βC／C++實時核、獨立C庫、GDB-5.3SPARC交叉調(diào)試器、遠程調(diào)試監(jiān)視器、GDB的DDD圖形前端(僅對Unix)、GDB的GDB-TK圖像前端(僅對Windows)、引導PROM的builder以及Leon調(diào)試支持單元監(jiān)視器等。還包括一些工具，如交叉匯編器、匯編預處理器、GNU連接器、二進制轉換器等等。

采用LECCS進行Leon2應用系統(tǒng)軟件開發(fā)的過程如下：
①利用GCC編譯和鏈接程序；
②利用仿真器了SIM調(diào)試程序；
③在遠程目標系統(tǒng)上調(diào)試程序；
④為獨立應用產(chǎn)生引導PROM程序。

LECCS支持兩種類型的應用：一種是通常的順序CC++程序，一種是基于R了EMS核的多任務實時CC++程序。

軟件仿真工具可以采用丁SIM。它是一個通用的SPARC架構仿真器，可以對基于ERC-32和Leon的計算系統(tǒng)進行仿真，性能和使用方法可以參見TSIM用戶指南。Leon2為應用系統(tǒng)的調(diào)試在硬件上作了極大的支持，那就是它的調(diào)試支持單元(DSU)和跟蹤緩沖器。具體使用時可參見Leon2用戶手冊和leon DSU Monitor用戶手冊。

4 Leon2的應用
Leon2在國內(nèi)外都有應用。
國外應用很多，如基于Leon的數(shù)字聽寫機、指紋安全系統(tǒng)、GPS處理機、BIST(內(nèi)建自測試)等方面的產(chǎn)品。這里簡單介紹洛杉磯加州大學的ThumbPod指紋安全系統(tǒng)，以及Nemerix公司的NJ1030型GPS基帶產(chǎn)品。ThumbPod安全系統(tǒng)，是將人的指紋作為身份認證(數(shù)字身份)的安全系統(tǒng)。其原型的硬件系統(tǒng)由Xilinx的FPGA(XC2V1000)、Micron的 256 MHz-DDR-SDRAM、Authentec的AF-S2型手指感應器等構成。CPU采用Leon2處理器核，并通過Leon2的協(xié)處理器接口(CPI)掛接了AES(高級加密系統(tǒng))協(xié)處理器來執(zhí)行AES算法，以加快加密速度．系統(tǒng)的最大工作時鐘頻率可以達100 MHz，工作電壓可以是3.3／2.5／1.8／1.5 V等多種電壓。NJl030型GPS基帶產(chǎn)品，目標是GPS的L1載波C／A碼處理，并提供對WAAS和EGNOS兩種增強系統(tǒng)的支持，可以和世界上領先的第三方的GPS-RF前端設備兼容。

國內(nèi)，航天部771所和中科院國家天文臺都正在或計劃研制基于Leon2的星載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不再采用體積大、笨重而又功耗巨大的處理器芯片(如DSP)，而是直接將Leon2放進FPGA。系統(tǒng)將大部分的處理功能硬件化，利用FPAG的豐富資源，將整個系統(tǒng)放入一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)。其中的Leon2只進行控制管理和一些必須的計算處理。國家天文臺正計劃研制基于Leon2的星載系統(tǒng)，系統(tǒng)將處理每日采集到的1780 GB數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過預處理(圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖處理)、小波壓縮、圖像格式等，使圖像壓縮到10GB左右，并下傳到地面站。

結 語
本文介紹了Leon2開源處理核的技術特點、軟硬件開發(fā)過程、國內(nèi)外的應用實例。技術特點主要是SPARCV8規(guī)范、AMBH2.0總線結構、容錯設計方法和VHDL編程風格；對Leon2應用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)工具和方法進行了介紹；在應用實例中，介紹兩種國外的應用和兩種國內(nèi)的應用，其中包括作者正在進行研制的星載圖像處理系統(tǒng)。