внешним устройствам или разделам памяти), выполнение непрерываемых циклов “считывание– модификация–запись”, которые обычно используются для проверки и установки значений программных “семафоров” при совместном использовании ресурсов в мультипроцессорной системе.

Номенклатура и применение процессоров PowerPC

В состав выпускаемых в настоящее время процессоров PowerPC входят модели 603, EC603e, 604e семейства MPC6xx и модели 740, 750, 7400 семейства MPC7xx, которые имеют ряд модификаций, отличающихся уровнем используемой КМОП-технологии изготовления. Технология определяет указанные в табл. 2 минимальные размеры компонентов при изготовлении кристалла, от которых зависит максимальная тактовая частота процессора. Уменьшение размеров компонентов позволило повысить тактовую частоту до Ft = 350–450 МГц, что обеспечило увеличение производительности процессоров. Основные характеристики процессоров приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики процессоров семейства PowerPC

	Основные характеристики	603е		EC603e		604e	740	750	7400
	Разрядность шины	32		32		64	64	64	64
	Емкость: кэша команд	16 К		16 К		32 К	32 К	32 К	32 К
	кэша данных	16 К		16 К		32 К	32 К	32 К	32 К
	Количество команд,	3		3		4	3	3	3
	выполняемых за 1 такт
	Максимальная тактовая	133/200/300		133/200/300		233/350	266/333	266/400	450
	частота Ft, МГц
	Потребляемая мощность, Вт	4,2	/ 4,0 / 4,0	4,2	/ 4,0 / 4,0	16,7 / 8,0	5,7 / 4,2	5,7 / 5,8
	Производительность:
	SPECint95	3,9	/ 5,6 / 7,4	3,9	/ 5,6 / 7,4	9,4 / 14,6	11,0 / 14,0	11,8 / 17,7
	SPECfp95	3,1	/ 4,0 / 6,1	-		8,7 / 9,0	7,7 / 9,7	8,7 / 11,7
	MIPS	188 / 283 / 423		188 / 283 / 423		418 / 629	488 / 610	488 / 733	825
	Разрешающая способность	0,5	/ 0,35 / 0,29	0,5	/ 0,35 / 0,29	0,35 / 0,25	0,29 / 0,25	0,29 / 0,25
	технологии	мкм		мкм		мкм	мкм	мкм
	Число транзисторов, млн.	2,6		2,6		5,1	6,5	6,5
	Число внешних выводов	255		255		255	255	360

Процессоры семейства имеют общую архитектуру, которая включает регистровую модель пользователя (рис. 2), набор реализуемых команд и способов адресации, состав исключений и процедуру их обслуживания. Функции большинства регистров в модели супервизора (рис. 4) также одинаковы для всего семейства. Все модели имеют суперскалярную структуру (рис. 1), отличаясь составом используемых исполнительных устройств: процессоры 604e содержат три устройства для обработки целочисленных операндов (SIU1, SIU2, MIU, рис. 1), а процессоры 603e, EC603e, 740, 750, 7400 — только два устройства (SIU, MIU). Процессоры EC603e, ориентированные на выполнение задач управления, не содержат устройство для обработки операндов с плавающей точкой (FPU).

Процессоры семейства MPC7xx имеют некоторые отличия от семейства MPC6xx. Обеспечение соответствия содержимого ОЗУ и внутреннего кэша данных реализуется с помощью протокола MEI, который является упрощённой модификацией протокола MESI, используемого в процессорах семейства MPC6xx. Количество буферных регистров для GPR и FPR сокращено (по 6 вместо 12). Из возможных способов организации памяти реализуется только страничная с размером страницы 4 Кбайт и блочная с размером блоков от 128 Кбайт до 256 Мбайт. Модель MPC750 отличается от модели MPC740 тем, что обеспечивает поддержку внешней кэш-памяти 2-го уровня объёмом 0,5, 1 или 2 Мбайт.

Для относительной оценки производительности процессоров в табл. 2 приведены результаты испытаний, полученные при использовании стандартных тестовых программ обработки целых чисел (SPECint 95) и чисел с плавающей точкой (SPECfp 95). В скобках указано значение тактовой частоты Ft, при котором проводились испытания. Так как потребляемая мощность возрастает пропорционально

тактовой частоте, для каждого процессора дано значение Ft (в скобках), при котором потребляется указанная мощность.

Сразу после начала выпуска процессоры семейства MPC6xx нашли широкое применение в разнообразных цифровых системах. На базе первой модели MPC601 были реализованы персональные компьютеры PowerMacintosh компании Apple Computers и PowerStack компании Motorola, рабочие станции RS/6000 компании IBM и ряд других изделий. Появление новых процессоров этого семейства ещё более расширило сферу его применения. В настоящее время определился следующий ряд областей, где использование процессоров PowerPC наиболее эффективно. Модель MPC603e, имеющая низкое энергопотребление, широко используется в персональных компьютерах класса ”notebook” и различной сложнофункциональной портативной аппаратуре. На применение в системах управления сложными объектами ориентированы также процессоры семейства MPC7xx. Модель MPC604e используется, в основном, в персональных компьютерах, заменяя в этой области более раннюю модель MPC601, и высокопроизводительных серверах.

Наряду с процессорами фирма Motorola выпускает магистральные адаптеры MPC105, MPC106, которые обеспечивают интерфейс между 64-разрядной шиной с архитектурой PowerPC и 32-разрядной шиной PCI, широко используемой в персональных компьютерах. С помощью этих адаптеров можно организовать совместную работу систем, реализуемых на базе MPC6xx или MPC7xx, с персональными компьютерами.

Следует отметить широкое применение RISC-процессоров с архитектурой PowerPC в разнообразных устройствах управления системами и объектами, где требуется высокая производительность и широкие функциональные возможности в сочетании с пониженным энергопотреблением и низкой стоимостью. На базе процессоров с этой архитектурой разработаны RISC-микроконтроллеры (семейство MPC5xx) и коммуникационные конт-роллеры (семейства MPC8xx, MPC82xx), используемые в системах управления и связи.

Семейство RISC-микроконтроллеров MPC5xx в настоящее время представлено моделью MPC555 (ранее разработанные модели MPC505, MPC509 снимаются с производства). Процессорное ядро этого микроконтроллера функционирует аналогично процессору EC603e. На кристалле контроллера расположены также ОЗУ ёмкостью 32 Кбайт, флэш-память ёмкостью 448 Кбайт и периферийные блоки. Контроллер имеет 32-разрядную шину данных и адресует 16 Мбайт внешней памяти. В состав контроллера входят различные периферийные блоки: два таймерных модуля, имеющих по 16 линий ввода/вывода сигналов, два 10-разрядных АЦП, каждый из которых имеет 16 аналоговых входов, три порта для по-следовательного обмена (два асинхронных и один син-хронный), два контроллера, реализующих последовательный обмен по CAN-шине, широко применяемой в промышленности. Эти контроллеры предназначены для построения высокопроизводительных управляющих систем реального времени.

В связи с быстрым ростом требований к объёму и скорости передаваемой информации особенно перспективным является использование RISC-процессоров с архитектурой PowerPC в телекоммуникационных системах. Для данной сферы применения выпускается широкая номенклатура коммуникационных контроллеров семейств MPC8xx, MPC82xx (табл. 3). Они содержат центральный процессор PowerPC с кэшами команд и данных, имеющими ёмкость до 16 Кбайт, модуль систем-ного интерфейса, выполняющий пересылку данных по 64-разрядной системной шине с адресацией до 4 Гбайт внешней памяти, и коммуникационный процессор, в состав которого входят несколько коммуникационных интерфейсов, реализующих различные протоколы сетевого обмена (Ethernet, HDLC, UART, ISDN и другие).

Таблица 3. Основные характеристики коммуникационных контроллеров

PowerPc

	Основные характеристики	801	821	823	850	855Т	860	8240	8260
	Емкость кэша команд	2 К	4 К	2 К	2 К	4 К	4 К	16 К	16 К
	кэша данных	1К	4 К	1 К	1 К	4 К	4 К	16 К	16 К
	Максимальная тактовая частота Ft, МГц	40	80	80	80	80	80	266	200
	Производительность, MIPS	52	105	105	105	105	105	375	280

Коммуникационные контроллеры выпускаются в различных модификациях, которые отличаются возможностями реализации разных протоколов связи. Например, MPC860 — базовая модель семейства MPC8xx имеет четыре модификации. Модель MPC860EN обеспечивает возможность одновременного обслуживания четырёх каналов связи с сетью Ethernet. Некоторые модели имеют сокращённое число каналов связи: MPC860DE обслуживает два канала Ethernet, MPC860DC содержит только два последовательных коммуникационных интерфейса. Наиболее широкими возможностями обладает модель MPC860MH, которая кроме связи с сетью Ethernet обеспечивает обслуживание до 32 каналов HDLC, что позволяет реализовать широко используемый протокол цифровой сети с интеграцией услуг ISDN-PRI.

Коммуникационные контроллеры семейства MPC8xx содержат процессорное ядро PowerPC, в котором отсутствует блок обработки чисел с плавающей точкой FPU. В это семейство, кроме базовой модели MPC860, входит ряд моделей, отличающихся объёмом кэш-памяти и составом реализуемых интерфейсов связи. Модель MPC801 содержит два последовательных коммуникационных интерфейса, интерфейс промышленной шины I2C, а также контроллер параллельного обмена данными, реализующий протокол для подключения карт PCMCIA. Модели MPC850, 855 содержат один коммуникационный интерфейс, интерфейс последовательной шины USB и контроллер PCMCIA. Модели MPC821, 823 имеют в своем составе видеоконтроллер для жидкокристаллического дисплея, что делает их привлекательными для использования в приборах и системах, использующих этот способ визуального представления информации. Модель MPC821 содержит также два коммуникационных интерфейса, контроллер PCMCIA и контроллер параллельной шины с протоколом Centronics, применяемым обычно для связи с принтером. В модели MPC821 имеется только один коммуникационный интерфейс, а вместо другого введён интерфейс шины USB.

Наиболее быстродействующие коммуникационные контроллеры входят в состав семейства MPC82xx, выпуск которого начался в конце 1998 года. В качестве процессорного ядра эти контроллеры используют процессор PowerPC 603e, в котором имеется блок FPU. Контроллеры имеют выходы на две системных шины: 64-разрядную, которая обеспечивает протокол обмена, принятый для процессоров PowerPC, и 32-разрядную с протоколом PCI. В состав модели MPC8240 входят интерфейс шины I2C и контроллер сообщений, реализующий протокол обмена I2O (Intelligent InputOutput). Коммуникационный процессор в контроллерах MPC8260 поддерживает большое число сетевых протоколов, включая высокоскоростные: 100 Мбит/с Ethernet, 155 Мбит/с ATM, 256-канальный HDLC. Эти контроллеры ориентированы на реализацию высокопроизводительного телекоммуникационного оборудования: маршрутизаторов, концентраторов, коммутаторов, многоканальных модемов, станций сотовой связи, а также используются для управления копировальными и печатающими устройствами, обслуживания систем дисковой памяти с обеспечением защиты информации и ряде других применений.