Leon2微處理器IP核原理及應(yīng)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(jié)構(gòu)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(biāo)主要是權(quán)衡性能和價(jià)格、高的可靠性、可移植性、可擴(kuò)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(shù)實(shí)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(gè)24位定時(shí)器、2個(gè)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(jìn)行綜合，可以在任何符合VHDL-87標(biāo)準(zhǔn)的仿真器上進(jìn)行仿真；采用AMBA AHB／APB總線結(jié)構(gòu)的用戶設(shè)計(jì)新模塊，可以很容易加入到Leon2中，完成用戶的定制應(yīng)用。

Leon2在歐洲和美國都有眾多的應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)。為了使Leon2得到國內(nèi)業(yè)界的了解和進(jìn)一步的應(yīng)用，本文將從Leon2的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、軟硬件的開發(fā)過程和應(yīng)用實(shí)例等四個(gè)方面進(jìn)行介紹。在技術(shù)特點(diǎn)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(cuò)設(shè)計(jì)方法和VHDL編程風(fēng)格等。

1 Leon2的結(jié)構(gòu)
圖1是Leon2的片上結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由AMBA AHB和APB支撐，連接著SPARC處理器、Cache系統(tǒng)及片上外設(shè)等設(shè)備。

(1)處理器單元
處理器單元由整數(shù)單元IU、浮點(diǎn)單元FPU、協(xié)處理器單元CP構(gòu)成。整數(shù)單元的特點(diǎn)有：5級指令流水、分離的數(shù)據(jù)和指令Cache、支持2~32個(gè)寄存器窗口、可選的4個(gè)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(diǎn)處理器有GaislerResearch的GRFPU，Sun Microsystems的Meiko FPU或其他通用浮點(diǎn)處理單元。Leon2提供了一個(gè)通用的用戶可定義的協(xié)處理器，同IU并行運(yùn)行增強(qiáng)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(jī)。

(3)片上外設(shè)
片上外設(shè)包括：2個(gè)中斷控制器、2個(gè)UART、2個(gè)Timer和1個(gè)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(gè)內(nèi)部和外部中斷。2個(gè)串行通信口 (UART)，支持8位數(shù)據(jù)幀、1位校驗(yàn)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(shè)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(gè)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(shù)特點(diǎn)
Leon2的技術(shù)特點(diǎn)主要有：采用SPARCV8結(jié)構(gòu)、采用內(nèi)部AMBA總線結(jié)構(gòu)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)和VHDL編程風(fēng)格。

2.1 SPARC V8
SPARC是可擴(kuò)展處理器體系架構(gòu)的首字母縮略詞，是一個(gè)從RISC派生出的CPU指令集結(jié)構(gòu)(ISA)。指令集結(jié)構(gòu)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(shí)鐘周期、每條指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)(CPI)、數(shù)據(jù)通路等內(nèi)容。作為一個(gè)結(jié)構(gòu)，SPARC允許在具有不同性能價(jià)格比的廣泛應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)不同系列的芯片和系統(tǒng)，包括科學(xué)、工程、編程、實(shí)時(shí)和商業(yè)應(yīng)用等。SPARC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)化編譯器和易于硬件流水線實(shí)現(xiàn)。

SPARC處理器由整數(shù)單元(IU)、浮點(diǎn)和協(xié)處理器單元(FPU和CP)構(gòu)成。它們各自都有自己的寄存器，其中IU有8個(gè)全局寄存器、2~3N個(gè)寄存器窗口(由用戶設(shè)定)，浮點(diǎn)和協(xié)處理器單元的選擇依賴于具體應(yīng)用。

(1)寄存器窗口
它是SPARC的最大技術(shù)特點(diǎn)。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(gè)IU的實(shí)現(xiàn)可能包括40~520個(gè)32位r寄存器。這些寄存器又被分成8個(gè)全局寄存器，再加上2~32個(gè)與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的16位寄存器組，每一個(gè)寄存器組又進(jìn)一步分為8個(gè)輸入寄存器和8個(gè)輸出寄存器。圖2是一個(gè)8窗口寄存器結(jié)構(gòu)示意圖。在任何一個(gè)時(shí)刻，一條指令只能訪問8個(gè)全局寄存器和由當(dāng)前窗口指針(CWP)指定的當(dāng)前窗口。這個(gè)窗口是由8個(gè)輸入寄存器、8個(gè)局部寄存器和8個(gè)輸入寄存器構(gòu)成。從圖2中可以看出，兩個(gè)相鄰窗口的入和出寄存器是共享的。當(dāng)前是按窗口號順序(或前或后)轉(zhuǎn)換的，正好上一次的輸出寄存器成為當(dāng)前窗口的輸入寄存器，這樣可以減少存儲器讀寫和運(yùn)行時(shí)的現(xiàn)場保護(hù)。

(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(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)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(gè)包含每個(gè)陷阱句柄的前4條指令的特殊陷阱表，將控制轉(zhuǎn)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(gè)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(jìn)行關(guān)聯(lián)的。標(biāo)準(zhǔn)的存儲器模型叫作TSO(Total Store Ordering)，所有的SPARC實(shí)現(xiàn)必須提供這個(gè)模型；另一個(gè)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(dāng)著SoC設(shè)計(jì)的架構(gòu)，正迅速成為SoC和IP庫開發(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，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、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(dāng)AHB的高性能特點(diǎn)無需要時(shí)，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(shè)備提供的，它優(yōu)化到為最小功耗和減小接口的復(fù)雜性來支持輔助功能。

圖3是AMBA總線微控制器的典型結(jié)構(gòu)。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(shè)備。通過一個(gè)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(shè)備，如UART、定時(shí)器、PIO等。

2.3 容錯(cuò)問題
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)、流水線重啟等，像IBM S／390 G5還采用了寫階段以前的全部流水線復(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)沒有Leon2那樣，采用如此全面的容錯(cuò)措施。

Leon2將時(shí)序(存儲)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對高性能CPU來說是至關(guān)重要的，而且位于處理器的關(guān)鍵(時(shí)間)通路上。為了減少復(fù)雜性和時(shí)間開銷，錯(cuò)誤檢測的方法采用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)部的寄存器對于指令的運(yùn)行速度和用戶程序設(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)，通過表決器來決出正確的輸出。
④外部存儲器的錯(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2位錯(cuò)誤。
⑤主檢測模式。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，不讓檢測模式的處理器輸出結(jié)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(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的清洗問題。因?yàn)樯厦娼榻B的五種方法，只有在對相應(yīng)的單元進(jìn)行訪問時(shí)才進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。如果存儲單元的數(shù)據(jù)不常使用，這些單元的錯(cuò)誤會逐漸增加，因此必須使用一些軟件的方法來實(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、抽象級低、仿真時(shí)間長等缺點(diǎn)?！岸M(jìn)程”編碼風(fēng)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(jìn)行說明，如按輸入輸出分類進(jìn)行記錄說明；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)，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。

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(jìn)行硬件和軟件方面的測試。

Leon2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過模塊配置，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，也可以直接對包文件device．vhd進(jìn)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(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。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、1616加流水寄存器、1616、328.3216、3232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、看門狗等。⑧引導(dǎo)配置。⑨AMHB總線的相關(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(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要采用交叉編譯環(huán)境來進(jìn)行。Leon2應(yīng)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(diǎn)”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(yùn)行。要在Windows平臺上運(yùn)行LECCS，必須安裝Cygwin。它一個(gè)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(shí)時(shí)核、獨(dú)立C庫、GDB-5.3SPARC交叉調(diào)試器、遠(yuǎn)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(dǎo)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(yù)處理器、GNU連接器、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器等等。

采用LECCS進(jìn)行Leon2應(yīng)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(yuǎn)程目標(biāo)系統(tǒng)上調(diào)試程序；
④為獨(dú)立應(yīng)用產(chǎn)生引導(dǎo)PROM程序。

LECCS支持兩種類型的應(yīng)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(wù)實(shí)時(shí)CC++程序。

軟件仿真工具可以采用丁SIM。它是一個(gè)通用的SPARC架構(gòu)仿真器，可以對基于ERC-32和Leon的計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行仿真，性能和使用方法可以參見TSIM用戶指南。Leon2為應(yīng)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(shí)可參見Leon2用戶手冊和leon DSU Monitor用戶手冊。

4 Leon2的應(yīng)用
Leon2在國內(nèi)外都有應(yīng)用。
國外應(yīng)用很多，如基于Leon的數(shù)字聽寫機(jī)、指紋安全系統(tǒng)、GPS處理機(jī)、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(xué)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(rèn)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(yīng)器等構(gòu)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(shí)鐘頻率可以達(dá)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(biāo)是GPS的L1載波C／A碼處理，并提供對WAAS和EGNOS兩種增強(qiáng)系統(tǒng)的支持，可以和世界上領(lǐng)先的第三方的GPS-RF前端設(shè)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(jì)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)放入一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)。其中的Leon2只進(jìn)行控制管理和一些必須的計(jì)算處理。國家天文臺正計(jì)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(yù)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(jié) 語
本文介紹了Leon2開源處理核的技術(shù)特點(diǎn)、軟硬件開發(fā)過程、國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例。技術(shù)特點(diǎn)主要是SPARCV8規(guī)范、AMBH2.0總線結(jié)構(gòu)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法和VHDL編程風(fēng)格；對Leon2應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)工具和方法進(jìn)行了介紹；在應(yīng)用實(shí)例中，介紹兩種國外的應(yīng)用和兩種國內(nèi)的應(yīng)用，其中包括作者正在進(jìn)行研制的星載圖像處理系統(tǒng)。