PowerPC处理器发展历程
PowerPC总汇编指令集
PowerPC汇编指令集标签：汇编指令PowerPC PPC 2008-05-04 21:25PowerPC 体系结构规范（PowerPC Architecture Specification）发布于 1993 年，它是一个 64 位规范 ( 也包含 32 位子集 )。
几乎所有常规可用的 PowerPC（除了新型号 IBM RS/6000 和所有 IBM pSeries 高端服务器）都是 32 位的。
PowerPC 处理器有 32 个（32 位或 64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC （程序计数器，也称为IAR／指令地址寄存器或 NIP／下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。
有些 PowerPC CPU 还有 32 个 64 位 FPR（浮点寄存器）。
MPC555使用的PowerPC CPU是带有FPR 的。
一些常用寄存器介绍如下：通用寄存器的用途：r0在函数开始（function prologs）时使用。
r1堆栈指针，相当于ia32架构中的esp寄存器，idapro把这个寄存器反汇编标识为sp。
r2内容表（toc）指针，idapro把这个寄存器反汇编标识为rtoc。
系统调用时，它包含系统调用号（这个好像跟系统有关吧）。
r3作为第一个参数和返回值。
r4-r10函数或系统调用开始的参数。
r11用在指针的调用和当作一些语言的环境指针。
r12它用在异常处理和glink（动态连接器）代码。
r13保留作为系统线程ID。
r14-r31 作为本地变量，非易失性。
专用寄存器的用途：lr链接寄存器，它用来存放函数调用结束处的返回地址。
ctr计数寄存器，它用来当作循环计数器，会随特定转移操作而递减。
xer定点异常寄存器，存放整数运算操作的进位以及溢出信息。
msr机器状态寄存器，用来配置微处理器的设定。
cr条件寄存器，它分成8个4位字段，cr0-cr7，它反映了某个算法操作的结果并且提供条件分支的机制。
技术变革的见证 Power处理器17年进化史
技术变革的见证Power处理器17年进化史（上）POWER 是Power Optimization With Enhanced RISC 的缩写，即以加强的RISC实现性能优化，自1990年IBM 推出首个POWER1芯片后至今已经17个年头，经历了五代产品的更迭，本文就将详细为读者介绍IBM Power这17年的进化历史。
一、POWER1时代发布于1990年的POWER1 每个芯片中集成了800,000 个晶体管，与当时其他的RISC 处理器不同，POWER1 进行了功能划分，这为该芯片赋予了超量计算的能力，它还有单独的浮点寄存器，可以适应从低端到高端的UNIX 工作站使用。
1991年IBM、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司组成了AIM联盟，合作开发基于Power微结构的PowerPC微处理器系列产品。
这意味着IBM POWER跨越了一个从小型、中型到大型主机的范围，导致PowerPC家族的微处理器诞生，这是在一个单芯片上实现基于RISC的硬件和软件。
最终它们开发的PowerPC芯片获得成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。
PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。
第一代PowerPC采用0.6微米的生产工艺，晶体管的集成度达到单芯片300万个。
1992年1月，IBM公司推出7011-220 (33 MHz)入门级桌面工作站，基于POWER架构的单芯片配置，所以人们把该工作站称之为RISC 单芯片(RISC Single Chip，RSC)。
当年还有人嬉称之为“比萨盒”。
因此最初的POWER1 芯片实际上是在一个主板上的几个芯片，后来很快就变成一个RSC (RISC 单一芯片)，其中集成了100 多万个晶体管。
POWER1 微处理器的RSC 实现被火星探险任务用作中央处理器，它也是PowerPC 产品线的先驱。
二、POWER2时代1993年的SP、PowerPC601和POWER2。
PowerPC处理器的发展历程
PowerPC处理器的发展历程作者：沈华汤彦飞李乔杨来源：《计算机光盘软件与应用》2013年第12期摘要：本文简述Freescale的PowerPC处理器的发展历程，按PowerPC处理器应用领域对处理器进行了进行分类和介绍。
关键词：嵌入式处理器；PowerPC；PowerQUICC；Power QorIQ中图分类号：TP752一般情况下的PowerPC，指的是使用PowerPC指令集的处理器。
PowerPC，最初的含义却不是Power，而是Performance Optimized With Enhanced RISC；PC指的是Performance Computing。
PowerPC系列是源自于POWER架构的设计，但进行了大量的改动。
例如，Power PC是open-endian设计，而POWER是大尾段设计；Power PC希望提供更强的浮点处理能力和多线程处理能力。
总的来说，这两种类型的CPU并没有太大的差别，Power PC保留了绝大部分POWER指令，许多应用只要重新编译，就可以分别在两个平台上运行。
随着PowerPC的发展，使用PowerPC构架的处理器已经形成了庞大的家族，在通信、工控、航天国防等要求高性能和高可靠性的领域得到广泛应用。
目前，主流的PowerPC处理器制造商有IBM、Freescale、AMCC、LSI等。
而在嵌入式领域Freescale的PowerPC占主导地位，尤其有E2V公司对扩展温度PowerPC的支持，广泛应用于航空国防领域。
1 Freescale的PowerPC系列Freescale公司是从Motorola公司分离出来的公司，但是把Motorola公司名下所有关于PowerPC处理器的业务都归属到Freescale公司，至此该公司发展迅速，尤其在网络设备市场取得了非常可观的成功。
目前Freescale公司已经调整其PowerPC产品策略，将其划分成3个主要市场：网络设备、汽车电子（MPC5xx系列）和工业控制。
PowerPC 发展路线及应用
Compute
Largest Portfolio of Market Penetration
Power Architecture Market Share Leadership
• • Power Architecture is #1 Worldwide Market Share Leader in 32-bit EMPU
Agenda
• Track Record • Aioned to Empower Future Smart Embedded/Compute/Analytical Systems
The Power Architecture and word marks and the Power and logos and related marks are trademarks and service marks licensed by .
Power Architecture Market Leadership
#1 WW 32-bit MPU, #2 WW 64-bit CPU across all applications
Solutions Silicon / SOC
Embedded
The Power Architecture and word marks and the Power and logos and related marks are trademarks and service marks licensed by .
CELEBRATING 21 YEARS OF POWER ARCHITECTURE ANNIVERSARY
ASIA
POWER ARCHITECTURE
CONFERENCE
PowerPC
IBM推出可升级的POWER并行系统，这是第一款采用RS/6000技术，基于微处理器的超级计算机。
谢谢观看
系统接口单元SIU的功能是提供内部总线和外部总线的接口，该接口单元具有32位微处理器的几乎所有的通 用接口特性，尽管Power PC核内部总线为32位，但通过SIU可以将外部总线宽度动态地配置成8、16或32位，以 兼容数据总线宽度为8、 16或32位的外设或存储器。
SIU单元中的存储器控制器支持最多与高达8组存储器的无缝连接，每组的容量从32K字节到256M字节可变， 数据总线宽度可由4个独立的使能信号控制为8bits,16bits或32bits。支持的存储器类型包括SRAM、SSRAM、 EPOM、Flash ROM、DRAM,SDRAM等。存储器控制器为每一组存储器分别提供了可选的0到15个的等待状态以适应 不同速度的存储器。SIU也支持其它需要双时钟访问的外部SRAM和用突发方式访问的外部设备。
PowerPC处理器有 32个（32位或 64位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC（程序计数器，也称为 IAR/指令 寄存器或 NIP/下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32个 64位 FPR（浮点寄存器）。
PowerPC体系结构是 RISC（精简指令集计算）体系结构的一个示例。因此：
联盟运作
联盟运作
联盟三巨头，个个有来头，因此联盟采行的是松散制联盟。也就是说，联盟的目标一致，但彼此并没有隶属 关系，运作时也难以强制成员遵行。不过联盟负责制定规格、进行授权与认证等相关工作。
分工方面，摩托罗拉主司芯片设计、制造。苹果电脑则是负责操作系统，还有组装及销售。IBM不愧是信息 界的全能选手，他从上游的芯片设计、制造，到中游的系统整合、测试、操作系统，及下游的组装、销售，不但 能全面参与，向来亦是个中好手。
PowerPC发展综述
PowerPC 发展综述
主频 : 200- 650MHz 工艺 : 0 35-
集成度 : 最多达 3 千万个晶体管 0 18 微米 ( 4) 第四代 Pow erPC 产品 1999 年 MPC7400 2008 年
代 表 产 品: Pow erPC G4,
字长: 32/ 64 位 主频 : 350- 1000MHz 集成度 : 最多达 5 千万个晶体管 工艺 : 0 300 15 微米 MOTOROLA 公司生产的 PowerPC 芯片有很 大 一部分提供给 Apple 公司用于组装台式机和便携机。 此外还有很大一部分是嵌入式微处理器 , 另外包括通 讯芯片。 例如 MPC 8260 Pow erQUICC 其它同类产品省电 70% 。 是通讯芯片 , 比
工业控制计算机 2000 年 13 卷第 2 期
57
PowerPC 发展综述
俞建新
南京大学计算机系
Abstract In this a rtic le the a uthor g ave a brief revie w to Powe rP C micropro cess or, whic h is main micro pro ce ssor product in prese nt wo rld micro pro ce ssor ma rket. The autho r a nalyze d the situatio n of Powe rPC in te chnolo g y a nd business sphere and rec ited ma ny rec ent impo rtant eve nts of new te chnique and new pro ducts of Po werPC. Fina lly the a uthor co mmented on future deve lo pment tre nd o f Pow erPC. Key words: e mbedde d mic roproc esso r, micro pro cess or, P owerPC, X 86, Pentium, Altiv ec , review 摘 要 本文对当今世界微处理器市场上主流产品之一的 Powe rPC 作出历 史回顾和基 本介绍 。 分析 了 Po werPC 在微处 理器市场的地位 , 列举了近期有关 Powe rP C 新技术新产品的重要事件 。 最后对 Pow erPC 今后发展趋势作出了笔者的 评论和预测 。 关键词 : 嵌入式处理器 , 微处理器 , PowerPC, X 86, Pentium, AltiVec , 发展综述
powerPC架构及编程
优势三：稳定性，可靠行 Powerpc架构具有很强稳定性能，高可靠性 更长的产品寿命周期（通常 10到 15年以上） 苛刻条件下，芯片具有很强健壮性，适合工业级应用 优势四：软件兼容性 软件可移植，从低端到高端器件，软件代码具有再使用能力 完整功能的组合：Ethernet, USB, PCI
优势五：芯片性能可选范围大 从低端到高端都有芯片可以选择 最低主频率50MHZ,133MHZ,266MHZ,最高可以达到几GHZ
CPM的模块结构 MPC8260高性能通信处理模块(CPM)运行频率133MHz或166MHz,包括了 MPC8260中的所有通信组件,提供3个FCC,2个MCC,4个SCC,2个SMC,1个SPI和 一个I2C,其主要特点有: (1) PowerPC和CPM可以工作在不同频率; (2) 支持串行比特率710Mbit/s @ 133MHz; (3) 并行I/O寄存器; (4) 片内24KB双口RAM; (5) 两个多通道控制器(MCC),每个支持128条全双工的64kbit/s HDLC线; (6) 虚拟DMA功能; (7) 双总线结构:1个64位PowerPC和1个32位本地总线; (8) 2个UTOPIA二级主/从端口,均支持多PHY; (9) 3个MII接口; (10) 8个TDM接口(T1/E1),2个TDM口可以无缝链接到T3/E3; (11) 内部电压2.0V,I/O电平3.3V; (12) 133MHz 功耗位2.5W.
PowerMac G5
PowerPC的特点(优势)
PowerPC 处理器是RISC嵌入式应用的理想基础平台。从一开始，革命性的可扩展 PowerPC 体系结构就是为满足解决方案（从台式机CPU，到高性能、高度集成的嵌入式 MPU）的不同需求设计的。PowerPC 处理器提供极具吸引力的性价比、扩大的运行温度 范围、多处理功能、高集成度，它的指令在整个产品线中兼容，并提供最广泛的开发 工具选择。 PowerPC处理器优势 优势一：MIPS/MHz 性能 选择Power架构的原因是因为它每兆赫兹的MIPS 比Renesas SH 和 ARM高. ARM 大概是 1.1 MIPS/MHz SH4A 大概是 1.8MIPS/MHz Power Architecture 是大于2.0MIPS/MHz MPC8349E : 1260 MIPS @ 667 MHz MPC8548E：3065 MIPS at 1333 MHz 优势二：功耗 PowerQUICC最大功耗范围：2 –8瓦 设备能可靠稳定运行在： -40℃-105℃ 随着温度的升高，性能不会改变
Power系列服务器处理器全了解
Power系列服务器处理器全了解大家知道，自从20世纪70年代RISC (Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算)技术推出以来，高性能微处理器设计的中心从半导体厂商转向了系统厂商。
由于其优化的指令系统带来的运算速度的提高等优势，使得RISC技术在80年代后期，逐渐在高端服务器和工作站领域中取代了CISC (Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算)成为主流的微处理器设计架构之一(见下表)。
随着RISC架构的提出，各个具备一定技术实力的厂家开始在这个架构的基础上研发出自己的处理器，经过近二十年的发展，生产芯片的厂家经历了各种分分合合，到目前为止，我们见到的主流RISC芯片主要有PowerPC、SPARC、PA-RISC、MIPS等，这些芯片分别由重要的服务器厂商用来作为其高端服务器产品和工作站的核心。
几乎无一例外地，各种大型计算机和超级服务器都采用RISC架构的处理器，RISC处理器已经逐渐成为高性能计算机的代名词，这也就是我们平时所指的Unix服务器阵营。
本文主要介绍服务器CPU之一——IBM的Power系列CPU。
IBM，即国际商业机器公司，1914年创建于美国，是世界上最大的信息工业跨国公司，目前拥有全球雇员20多万人，业务遍及150多个国家和地区。
IBM拥有综合先进技术与结构的全系列产品，包括新一代基于CMOS的并行企业服务器、首次采用64位RISC技术的AS/400高级系列、基于高性能PowerPC604微处理器的新RS/6000系列以及广泛的软件和网络产品等。
在复杂的网络管理、系统管理、密集型事务处理、庞大数据库、强大的可伸缩服务器、系统集成等方面，IBM具有强大的优势。
PowerPC 中的 PC 代表 performance computing。
PowerPC 源自于 POWER 体系结构，在 1993 年首次引入。
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PowerPC处理器的发展历程摘要：本文简述freescale的powerpc处理器的发展历程，按powerpc处理器应用领域对处理器进行了进行分类和介绍。
关键词：嵌入式处理器；powerpc；powerquicc；power qoriq 中图分类号：tp752一般情况下的powerpc，指的是使用powerpc指令集的处理器。
powerpc，最初的含义却不是power，而是performance optimized with enhanced risc；pc指的是performance computing。
powerpc 系列是源自于power架构的设计，但进行了大量的改动。
例如，power pc是open-endian设计，而power是大尾段设计；power pc希望提供更强的浮点处理能力和多线程处理能力。
总的来说，这两种类型的cpu并没有太大的差别，power pc保留了绝大部分power指令，许多应用只要重新编译，就可以分别在两个平台上运行。
随着powerpc的发展，使用powerpc构架的处理器已经形成了庞大的家族，在通信、工控、航天国防等要求高性能和高可靠性的领域得到广泛应用。
目前，主流的powerpc处理器制造商有ibm、freescale、amcc、lsi等。
而在嵌入式领域freescale的powerpc占主导地位，尤其有e2v公司对扩展温度powerpc的支持，广泛应用于航空国防领域。
1 freescale的powerpc系列freescale公司是从motorola公司分离出来的公司，但是把motorola公司名下所有关于powerpc处理器的业务都归属到freescale公司，至此该公司发展迅速，尤其在网络设备市场取得了非常可观的成功。
目前freescale公司已经调整其powerpc产品策略，将其划分成3个主要市场：网络设备、汽车电子（mpc5xx系列）和工业控制。
1.1 powerquiccfreescale powerpc在通讯领域的成功，很可能要归功于powerquicc，这也是ibm的powerpc和freescale的powerpc的最重要的区别。
1993年，摩托罗拉在充分理解通信系统应用的基础上，生产了第一颗包含quicc（quad integrated communications controller）的芯片mc68360。
此时，quicc实际上是一颗独立的处理器。
1994年，摩托罗拉开始把mc68360的quicc和powerpc内核结合，将集成了quicc的powerpc处理器称为powerquicc，并将其中的quicc处理模块称为cpm。
1995年，mpc860芯片面市，标志着一个通信处理器时代的开始。
这颗芯片实现了作为控制中心的powerpc处理器和作为数据处理中心的cpm的分离，采用了数据通路和控制通路分开的思想。
此后powerquicc系列芯片也一路升级，从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。
（1）603内核系列mpc850、mpc860、mpc875、mpc885等，目前是最低端的freescalepowerpc处理器。
这类powerpc处理器没有包含sdram接口，用户必须使用mpc860提供的upm（user programmable machines）配置成sdram接口。
603内核配合powerquicc i。
（2）603e内核系列mpc8250、mpc8260、mpc8272等。
从powerpc内核的角度看，603到603e的升级不大，主要是mmu上，此外包含了sdram控制器。
603e内核配合powerquicc ii。
（3）e300内核系列mpc8349、mpc8347、mpc8360等。
e300系列与603e系列结构基本一致，在处理器内核上的修改不多。
qe最先在mpc8360上实现，此外支持ddr sdram接口。
e300内核配合powerquicc ii pro。
（4）e500内核系列mpc8540、mpc8560、mpc8548等。
e500内核共有v1、v2两个版本。
v1版本和v2版本的最大区别在于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有很大的不同，只有指令系统是兼容的，其他内核组件都不相同。
e500内核配合powerquicc iii。
1.2 host processorhost processor顾名思义为主处理器，类似与以前的x86，是一颗纯处理器，它理论上需要通过桥接器和外部设备进行连接，常用powerpc处理器桥接器有不少厂家生产，主要有：tundra公司（现已由idt公司收购）的tsi107和tsi109，mavell公司的discovery系列。
powerpc 6xx系列和power pc 7xx系列由motorola公司和ibm公司研发，之后由于公司业务变更归属到了freescale公司名下，后续g4产品沿续了前期host processor的发展。
该系列处理器性能高，处理速度快，主要面向高性能计算处理。
（1）powerpc 6xx系列powerpc 601是power pc 600系列中的第一款，它综合了power 和power pc架构的特点，并且尽量保持与power1和随后的其他power pc芯片的兼容性。
此系列下一个芯片是603，低端、低功耗的处理器，大量使用在汽车上。
与power pc 603同日登场的还有powerpc 604，是更强大的处理器，随之的是“加强版”的603e和604e。
（2）power pc 7xx系列在1998年，出现了powerpc740和powerpc750，与604e非常相像。
powerpc750是第一款铜导线处理器，苹果公司用它生产了g3。
在2002年发布的32位的powerpc750fx曾经震惊业界，因为它是第一款达到1ghz主频的处理器，ibm在2003年紧跟着推出了750gx，集成了1mb片上二级缓存，也是1ghz主频，大约7瓦功耗。
（3）power pc e600内核系列也称为g4，包括mpc7410，mpc7447，mpc7448，mpc8641等。
与ibm的power700系列的最大不同在于g4系列支持altivec结构。
这类处理器也是apple用于mac机的芯片。
mpc86xx系列是内部集成了g4核并集成丰富io接口的处理器，如高速串行接口。
pci-e，rapidio，处理器主频可达1.5g。
该系列处理器有扩展温度支持，广泛应用于航空国防领域，进行高性能计算处理。
同时由于集成了altivec单元，也用来做信号处理。
1.3 power qoriq飞思卡尔qoriq通信平台是飞思卡尔的 powerquicc通信处理器的下一代演进产品，包含一个或者更多个核，一共有5个不同的产品平台。
按照功能和性能，分为p1，p2，p3，p4和p5，同老的powerpc 产品保持软件兼容，例如powerquicc平台。
qoriq商标和p1、p2、p4产品家族在2008年6月被公布，p3和p5平台的细节尚未公开。
所有的qoriq处理器基于e500 or e5500核心。
p10xx和p20xx系列基于e500v2核心，p340xx和p40xx系列基于e500mc核心，p50xx则基于e5500核心。
多核、高性能、低功耗、高集成度是qoriq的重要特点，同时许多型号在恶劣环境下有着出色的适应能力。
（1）p1系列p1系列被设计用于网关、以太网交换机、无线局域网接入点和通用控制目的。
p1系列属于入门级，运行在400到800mhz，e500核心，用于替代powerquicc ii pro和powerquicc iii平台。
p1系列封装成689个引脚，同p2系列兼容。
（2）p2系列p2系列设计用于网络、电信、军工的广泛应用。
能运行在-40到125°c，特别适合苛刻条件下的应用。
p2系列属于中端产品，运行在800mhz到1.2ghz，用于替代powerquicc ii pro和powerquicc iii平台。
（3）p3系列p3系列设计属于中端产品，用于交换机和路由器。
p3系列提供了一个多核平台，支持4个e500mc核心，每个核心频率能达到1.5 ghz。
p3系列拥有1.3 ghz 64-bit ddr3内存控制器，18个serdes lanes，以及用于数据包操作和调度、正则表达式、raid、安全、加密和rapidio的硬件加速器。
p3系列的多个核心能够运行在对称模式和非对称模式，意味着多个核心可以一起或者非别引导运行操作系统。
（4）p4系列p4系列属于高端产品，用于核心网或者企业级交换机、路由器。
提供极限多核平台，支持8个e500mc核心，每一个核达到1.5 ghz。
p4080包含8个e500mc核心。
（5）p5系列p5系列基于高性能64-bit e5500核心，频率提高到2.5 ghz。
p5010含一个e5500核心，能够运行在2.0 ghz下。
p5020含2个e5500核心，能够运行在2.0 ghz下。
p5040含4个e5500核心，能够运行在2.2 ghz下，性能吃惊的达到了3.0dmips/hz。
集成pci-e，rapidio，sata等接口。
1.4 qoriq amp系列t系列基于多线程64为e6500核心，该核集成altivec技术向量处理单元，产品有4核的t1042，24核（虚拟）的t4240等。
内部集成了多达16路的千兆以太网、4路pci-e、2路rapidio，2路sata等接口。
2 结束语freescale的powerpc在嵌入式应用中提出了全面解决方案，系列化的产品可应用于不同需求的领域，不仅国外、在国内许多知名企业也广泛应用，尤其由e2v公司对扩展温度powerpc的支持，亦广泛应用于对环境要求很高的领域中。
相信选择freescale的powerpc作为嵌入式中的处理器是不错的选择。
参考文献：[1]网站/power.作者简介：沈华，高工，研究方向：嵌入式处理器应用。
作者单位：中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710065。