双内核嵌入式处理器的其应用

1983年，斯坦福大学的John L.Hennessy成功完成了第一个采用RISC理念瓣MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）微处理器。次年，他在硅谷创立了MIPS公司。该公司本身不生产微处理器，只设计高性能工业级的32位和64位CPU的体系结构，并且向其他半导体公司提供使用其内核（IP）的授权，用于生产基于MIPS而又各具特色的微处理器。目前已经有50多家公司申请了授权，相继推出了一批个性鲜明的微处理器，如PMC-Sierra公司的RM7000系列、RM9000X2，NEC公司的VR55000、VR7700，而Broadcom公司开发的BCM1250一举夺得了当年度嵌入式处理器论坛的“最佳高效能嵌入式处理器”大奖。

1 BCM1250处理器

BCM1250是Broadcom公司开发的基于MIPS架构的双内核、高性能64位RISC微处理器，采用0.13μm CMOS工艺制造，860引脚BGA封装（42.5×42.5mm），最高主频1GHz。芯片集成了两个名为“SB-1”的内核（CPU0和CPU1）。SB-1内核不仅实现了标准的MIPS64指令集架构，而且增加了MIPS-3D和MIPS-MDMX专用扩展指令。在1GHz时，两个内核具有4000MIPS或10Mpps的处理能力。

BCM1250是一种紧耦合共享内存对称式多处理器（SMP）。SMP系统定义为通过一个公共高速总线，将多个相同的处理器与内存和I/O设备等一系列外围设备连接起来的系统。“对称”意味着每个处理器在访问共享内存和外围设备时，访问机制相同。所谓“紧耦合”是指各内核个体之间距离很近，并通过一个通用高速总线实现物理互连。这些内核通过公共高速总线共享一个全局内存模块（即共享内存）以及诸多外围设备。



图1是BCM1250的内部结构框图。主要特点如下。

1.1 高性能双内核和大容量缓存

（1）两个64位MIPS内核SB-1。每个内核能够在一个时钟周期发射4条指令。每个内核包含32KB 4路组关联指令缓存和32KB 4路组关联数据缓存，64位入口的全关联TLB（Translation Lookaside Buffer）。

（2）两个SB-1共享4路组关联二级高速缓存（L2 Cache），每路128KB，共512KB。与其它系统不同的是，内核与I/O DMA主设备共享这片缓存，就像缓存处于内核和SDRAM（内存）之间，所有对内存的访问都在二级缓存中检验。并且，每路Cache可以单独设置为存储器模式，作为存储器使用，而且速度不变。

（3）面向网络分组处理优化的片内公共高速总线Zbbus,256位（１个缓存线长cache line）数据宽度，速率是ＣＰＵ主频的一半，将两个ＣＰＵ、Ｌ２ Cache、SDRAM控制器和I/O桥等连接起来。总线使用MESI协议以保证两个CPU、L2 Cache、内存和外部设备的数据的一致性。

（4）两个内核之间可以通过指令（ll、lld、sc和scd指令）和中断等方式进行通信。每个内核含有一个邮箱（mailbox）寄存器。当一个内核通过Zbbus总线访问另一个内核的邮箱寄存器时，产生中断。

1.2 外围控制模块和多类型通信接口

（1）DDR SDRAM控制器包括两个通道，每个通道64位数据宽度，另加8位ECC数据，支持两条JEDEC标准的133MHz DDR DIMM。每个通道的带宽高达16Gbps。如果采用DRAM芯片，辅以严格的走线控制，速度可达到200MHz，带宽高达50Gbps。ECC单元能够检测2位错误，纠正1位错误。

（2）一个遵循PCI2.2标准的PCI接口，32位数据宽度，最高速率66MHz。内部PCI仲裁器支持4个外部设备。



（3）一个遵循HyperTransport 1.03标准的HyperTransport接口（简称HT接口）。HyperTransport的性能比PCI总线高，是PCI总线的升级换代产品，由AMD公司在1999年的微处理器论坛上首先提出。HT设备采用标准的PCI配置方法。发送和接收的数据宽度都是8位。HT总线的参考时钟是100MHz，但是发送数据的速率可以是参考时钟的6位，而且时钟的上下边沿都能触发。

（4）三个遵循IEEE802.3标准的MAC控制器，支持10Mbps、100Mbps、1Gbps以太网接口，可以运行在全双工或者半双工模式，可以设置收发数据包的最大长度和最短长度，甚至支持16K～1B的大包。MAC控制器支持VLAN——一个便于组建虚拟局域网的标志。不仅如此，控制器还能够识别以太网包的类型、Ipv4包的校验和TCP/UDP包的校验和，并且能够根据数据包的目的地址进行过滤，选择是否接收广播包。控制器包含32位RMON统计寄存器，可以统计接收和发送的数据量、失败次数、CRC出错次数等。所以，有的资料将BCM1250称作网络处理器，因为其MAC的功能比普通MAC强大。

（5）除了标准的以太网模式，网络接口还能够配置成Packet FIFO模式。在此模式下，MAC控制器引脚复用作Packet FIFO，设置为8位或者16位数据通道，速率可达208MHz。

（6）两个串口既可以工作于同步模式，也可以工作于异步模式的最高速率为5Mbps。两个串口的模式选择分别由AD和AD引脚在启动时的电平决定。当然，CPU可以通过系统配置寄存器改变串口模式。串口的同步模式分为两种子模式：HDLC和Transparent。

（7）设备控制器向外引出通用总线，用于连接外围设备。它有8个片选信号CS[0:7]，其中CS[0]专用于连接bootrom，CS用于连接PCMCIA设备。每个片选空间的最大容量为256MB，可以独立设置时序、数据宽度、地址空间等参数。上电时，CS[0]映射到4MB物理空间，从0x1FC00000～0x1FFFFFFF。0x1FC00000是MIPS处理器的启动中断入口地址。

（8）一个遵循PCMCAI 2.1标准的PCMCIA接口，支持外接PCMCIA存储卡的热插拔，能够根据卡的插入和拔出相应地上下电。PCMCIA接口、中断、通用输入输出口三者的引脚是复用的，设计师应根据实际需要决定取舍。PCMCIA接口需要消息10个GPIO引脚。

（9）16个GPIO引脚既可以配置成中断引脚，也可以配置成普通数据输入输出引脚或者PCMCIA接口。

（10）两个SMBus接口，遵循SMBus(系统管理总线)标准1.1，与I2C总线兼容。最高工作频率为400kHz。系统可以选择从SMBus 0接口的EEPROM启动。启动方式由引脚AD[17:18]在上电时的电平决定。

（11）多个DMA控制器。每个同步串口含有一个发送和接收DMA通道，每个网口有两个支持QoS的发磅和接收DMA通道。还有4个专用于存储器和其它设备（例如PCI，Flash）之间搬运数据的DMA。

（12）I/O桥0和I/O桥1将外围模块和内部高速总线Zbbus隔离开来。

（13）两个看门狗（Watchdog），4个通用定时器，4个40bit性能计数寄存器。定时器的最小单位为1μs。

（14）一个符合IEEE1149.1标准的JTAG接口，方便了硬件调试和测试。