飞思卡尔与PowerPC介绍

PowerPC，但原意不是「Power」，而是 Performance Optimized With Enhanced RISC，PC指的是 Performance Computing。

Power ISA 是 Power 结构对应的指令集最初是解散的 power.org 组织开发，现由 组织开发IBM 领导的 OpenPOWER 基金会继续发展。Power ISA 继承和发展 PowerPC ISA，其由核心 PowerPC ISA 与可选嵌入式应用程序指令合并。

这两部分在2006年由 组成power.org 创始者IBM 与飞思卡尔半导体领导合并。Power ISA 分为几个不同的子集，每个指令都定义为子集的一部分。不同类型的处理器只实现一组指令子集，如服务器处理器，包括子集 Base、Server、Floating-Point、64-Bit 等，所有处理器都实现了 Base 子集 。

IBM PowerPC 广泛应用于服务器等高性能应用场景， Freescale PowerPC 最重要的应用是嵌入式场景，如汽车电子。Freescale 公司提供了大量含集成外设的 PowerPC 处理器在网络设备市场取得了可观的成功。Freescale 公司已调整其 PowerPC 产品策略将其分为网络设备和汽车电子三个主要市场(MPC5xx系列)和工业控制。

Freescale PowerPC 基于 EIS Architecture，EIS 是the Freescale Embedded Implementation Standards 的缩写。EIS Architecture 对 Power 架构更像是一个分支。

指令集是架构的重要组成部分，Freescale PowerPC 指令集和 Power ISA 基本相同，但硬件组成与应用场景不同，导致依赖硬件实现的指令子集不同。

EIS Architecture 指令集是 Power ISA 子集。下表是两者的对应关系：

PowerISA 有v2.3-v2.7、v3.0、v3.17个版本，目前最新的 PowerISA 发布于2020年v3.1版本。

Freescale PowerPC 通信领域的成功很可能归功于 PowerQUICC 处理器，这也是 IBM 的 PowerPC 和 Freescale 的 PowerPC 最重要的区别。QUICC(Quad Integrated Communications Controller) 和 PowerPC 内核结合 PowerPC 处理器称为 PowerQUICC 处理器。

自1995以后 PowerQUICC从 一路升级PowerQUICC I 到 PowerQUICC II ，再到 PowerQUICC III 和 PowerQUICC II pro 。目前，Freescale 将 CPM 升级为 QE(QUICC Engine)。

伴随 PowerQUICC 的升级，Freescale PowerPC 内核也在升级。

603内核系列：MPC850、MPC860、MPC875、MPC885 等，目前是最低端的 Freescale PowerPC 处理器。这种 PowerPC 处理器不包括 SDRAM用户必须使用 界面MPC860 提供的 UPM(USER Programmable Machines) 配置成 SDRAM 接口。603内核配合 PowerQUICC I。

603E内核系列：MPC8250、MPC8260、MPC8272等。从 PowerPC从内核的角度来看，从603到603E升级不大，主要是 MMU 上，包括 SDRAM 控制器。603E内核配合 PowerQUICC II。

E300内核系列：MPC8349、MPC8347、MPC8360等。E300系列与603E系列结构基本相同，处理器内核修改不多。QE最先在MPC除了支持 DDR SDRAM 接口。E300内核配合 PowerQUICC II pro。

E500内核系列包括 MPC8540、MPC8560、MPC8548 等。E500内核共有V1 、V2两个版本。V1版本和V2版最大的区别在于MMU。基于E500内核的 PowerPC 处理器是 Freescale 高端处理器的发展方向。E500 内核和603E只有指令系统是兼容的，其他核心组件是不同的。E500 内核支持 DDR SDRAM，RapidIO 与千兆以太网接口。E500 内核配合 PowerQUICC III。

E600内核系列又称：G4，包括 MPC7410，MPC7447，MPC7448，MPC8641 等。与 IBM 的Power 700 系列最大的区别在于G4系列支持 AltiVec结构。这种处理器也是 Apple 用于 MAC 机芯片。

E700系列: 支持64位PowerPC 结构，开发中(最新消息不明，怀疑被放弃)。

飞思卡尔 QorIQ 通信平台是飞思卡尔 PowerQUICC 通信处理器的下一代进化产品包括一个或多个核，共有5个不同的产品平台。根据功能和性能，分为 P1,P2,P3,P4 和P5，同老的 PowerPC 产品保持软件兼容，如 PowerQUICC 平台。

EIS Architecture 参考手册主要是 《EREF: A Programmer’s Reference Manual for Freescale Power Architecture Processors》，还有一些指令子集的说明书、飞思卡尔产品的处理器核结构手册等

Power Architecture参考手册有《PowerISA_V2.06B》、《PowerISA_V2.07》等。

根据硬件和通用性EIS指令集分为 Base、SPE、AltiVec、VLE、Embedded 子集。根据硬件对指令进行分类，可根据特定需要定制嵌入式系统，既能节约资金，又能提高系统的可靠性和性能。

每个指令子集实际上都是基于特定的硬件。例如，许多嵌入式系统没有 mmu 硬件，处理器不支持类似 tlbilx、tlbwe、tlbivax 这种指令，也就是说，如果特定的嵌入式系统中没有相应的硬件，则该系统无法运行该指令子集。同时，不同处理器上的指令子集包含不同的指令数，这与处理器的实现有关。

可以根据执行权限进行EIS指令集分为用户级指令子集和特权级指令子集。

用户级指令集包括：整数操作指令、存储/加载指令、浮点操作指令、跳转指令、处理器状态指令、Cache管理指令等。

特权级指令集包括：TLB操作指令、操作特权寄存器指令和中断处理指令。

EIS2.涉及架构的指令子集包括：

• Base：包括整数指令、存储/加载指令、跳转指令等

• SPE：浮点指令集

• AltiVec：矢量运算集

• VLE：变长指令集

• Embedded:嵌入式系统相关指令

基于EIS2.实现1架构的处理器核有 e500 core family（包含e500v1,e500v2, e500mc, e5500, e6500）、e200 core family。其对应的 Power ISA 是2.06B，同时还包含一些EIS的特有指令。

所有飞思卡尔处理器都支持的 Power ISA 2.06 中的指令子集有：

• Base

• Embedded

• Cache Specification

要注意的是有一些 Power ISA 2.06 的指令在所有飞思卡尔处理器中都是不支持的，不支持的指令子集有：

• Server (and any dependent categories)

• Decimal Floating-Point

• Embedded.Cache.Debug

• Embedded.Cache.Initialization

• Embedded.Hypervisor.LRAT

• Embedded.Multi-Threading

• Embedded.Page Table

• Embedded.TLB Write Conditional

• Legacy Integer Multiply-Accumulate

• Legacy Move Assist

• Load/Store Quadword

• Move Assist

• Processor Compatibility

• Stream

• Strong Access Order

• Trace

• Vector-Scalar Extension

• Vector.Little Endian

SkyEye 目前支持主流的嵌入式硬件平台，可以运行主流的操作系统，此外还能适配国内自主研发的操作系统天脉，上文中介绍的 PowerPC 和飞思卡尔指令集架构可以在 SkyEye 中进行全数字仿真。通过利用基于LLVM的动态二进制翻译技术，使虚拟处理器在典型的桌面计算机上运行速度可以达到2000MIPS以上。

SkyEye 目前支持的处理器模型列表：