PowerPC调研报告

嵌入式微处理器调研报告

课程名称 调研对象 系 别 专 业 班级/学号学生姓名 实验日期 成 绩 指导教师

嵌入式系统设计 PowerPC 计算机 计算机科学与技术

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PowerPC

PowerPC（英语：Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing，有时简称PPC）是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。POWER是1991年，Apple（苹果电脑）、IBM、Motorola（摩托罗拉）组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM联盟平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。但苹果电脑自2005年起，将旗下电脑产品转用Intel CPU。

简介

POWER是1991年，Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。PowerPC 的历史可以追溯到早在1990年随RISC System/6000一起被介绍的IBM POWER架构。该设计是从早期的RISC架构（比如IBM 801）与MIPS架构的处理器得到灵感的。

详细

PowerPC处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式CPU市场（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了像串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与台式机CPU存在非常显著的区别。例如，4xx 系列PowerPC 处理器缺乏浮点运算，并且还使用一个受软件控制的 TLB 进行内存管理，而不是象台式机芯片中那样采用反转页表。

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）。

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： 所有 PowerPC（包括 64 位实现）都使用定长的 32 位指令。

PowerPC处理模型要从内存检索数据、在寄存器中对它进行操作，然后将它存储回内存。几乎没有指令（除了装入和存储）是直接操作内存的。

发展历史

1980

IBM 发布了第一台基于RISC(精简指令集计算机）架构的原型机。早在上世纪70年代初，基于IBM 科学家 John Cocke的发明，RISC的理念大大简化了计算机操作指令，加快系统运行速度，使得计算机性能得到大幅度提升。如今，RISC架构已经广泛应用于众多工作站和UNⅨ服务器系统中，并被看作是未来主流的计算架构。

1990

IBM 推出基于RISC系统、运行AⅨ V3的新产品线RS/6000（称为IBM eServer p系列）。该系统架构被称为POWER(POWER1），意为增强RISC性能优化（Performance Optimization With Enhanced RISC）架构。

1991

IBM和苹果、摩托罗拉公司达成一系列合作协议，内容包括：推出支持苹果 Macintosh个人电脑与IBM网络相连的全新产品；推出面向PC机和低成本工作站的RISC架构PowerPC处理器；形成一个开放的系统环境，保证IBM AⅨ和苹果Macintosh软件程序在两家公司设计的RISC系统中都能运行。此外，开放的系统环境包括其他一些技术协议。

1993

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。在该系统中，IBM 首次应用多处理器技术，可将复杂密集的任务进行分解，大大加快了计算机的运算速度，开创了业界先河。

IBM和摩托罗拉公司推出PowerPC 601处理器，该处理器是与苹果共同开发的。PowerPC上集成280多万个晶体管，主频为50 MHz。

IBM 发布了66 MHz 的POWER2处理器，首先应用于RS/6000系统。 1994

IBM 推出可升级的POWER并行系统 2 (Scalable POWERparallel，SP2）。美国康乃尔理论研究中心配备了SP2超级计算机，运行速度高达1360亿次/秒。欧洲粒子物理学实验室（CERN）采用一款64节点、运行AⅨ系统的IBM SP2，速度位于欧洲前列。

IBM 成功研发出新一代PowerPC 604处理器，其强大的处理性能在批量生产的处理器产品中处于领先地位。IBM 技术人员还推出了业内最快的“无损”数据压缩芯片，每秒钟能处理40 MB数据。7月，IBM 交付第一百万个PowerPC 601处理器。

IBM发布首个基于Power 架构的嵌入式控制器PowerPC 403GA。 1995

PowerPC64位RISC处理器开始应用于IBM AS/400 操作系统中。

8月，苹果公司推出首款基于Power架构的笔记本电脑 PowerBook 500，它采用IBM的 PowerPC 603e处理器。

1996

IBM 推出全新的32位POWER2超级芯片（P2SC），主频达135 MHz ，首先应用于RS/6000系统。基于POWER2 架构的P2SC采用了高密度CMOS技术，单个芯片上集成1500万个晶体管。

1997

IBM“深蓝”超级计算机在经过多局较量后，击败了国际象棋冠军Garry Kasparov。“深蓝”是一款32节点的IBM RS/6000 SP计算机，处理器采用32位P2SC，运行AⅨ操作系统。在比赛期间，“深蓝”的平均运算速度为每秒1亿2600万步。这台超级计算机被安放在美国华盛顿特区的史密森国家博物馆内。

IBM 为美国国家宇航局提供一款32位的PowerPC微处理器，其运算速度可达每秒3500万次，主要用于火星探测计划。经过洛克希德马丁实验室改造后，最终形成可抗辐射的RAD 6000芯片，植入火星登陆车Sojourner Rover内部的计算机系统中。

1998

由IBM和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同研发的“蓝色基因”超级计算机问世。这台计算机采用PowerPC 604处理器，主频高达332 MHz，系统包含176个节点，最高运算速度为每秒3.9万亿次（比一般台式电脑快1.5万倍），存储容量超过 2.6 TB （是普通PC机的8万倍）。“蓝色太平洋”一秒钟内的计算量相当于一个人使用计算器连续计算6万3千年的总和。

IBM 推出世界上第一组基于铜的微处理器PowerPC 740/750，工作频率为 400 MHz。由于使用了铜芯片技术，处理性能提高了近1/3。

全新64位POWER3处理器将POWER2 架构（P2SC) 与PowerPC 架构相结合，并对技术应用进行了优化。POWER3 的最高运算速度可达每秒200万次，比“深蓝”所采用的POWER2 超级芯片快出一倍多。

IBM 公布了首个基于Power的嵌入式系统芯片（SoC）内核。不久之后，PowerPC 405内核也将同其他IP相结合，形成嵌入式SoC微处理器和基于Power的特定应用集成电路(ASIC）解决方案。

1999

IBM 研究院投资1亿美金开发一种新型的Power架构超级计算机。这种名为“蓝色基因”的计算机峰值速度超过1 PetaFLOP，比当时最快的超级计算机高出500倍。它将被用来模拟复杂蛋白质的折叠。

自正式推出铜芯片一年后，IBM 交付了第一百万个铜技术PowerPC 芯片。

6月，IBM 发布了第一个基于405内核的系统芯片PowerPC 405GP。下半年，IBM 即推出了再下一代嵌入式PowerPC内核。

IBM与任天堂公司共同宣布了一项价值10亿美元的技术协议，IBM将为任天堂的下一代家庭游戏机GAMECUBE提供增强版PowerPC 芯片。新产品性能将超出任何其他家庭游戏系统，为玩家呈现更佳的图像效果和更逼真的动作画面。

2000

IBM 宣布将高速PowerPC处理器与电视机顶盒（STB）组件一起整合到一个“单芯片系统”上，从而在系统性能、价格和设计等方面为机顶盒厂商带来竞争优势。该单芯片系统拥有众多的先进应用，并能帮助三星等公司灵活应对不断变化的客户需求。

IBM 将RS/6000更名为IBM eServer p系列。 2001

IBM 新一代超机计算机“ASCI White”在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室投入使用，运算速度高达每秒12.3万亿次，主要用于模拟核爆炸试验。作为美国国家核安全管理局 (NNSA）提高战略运算能力计划（ASCI）的组成部分，该系统强大的运算能力可以在不到1分钟时间内处理地球上每个人发出的一次互联网操作请求。

在经过5年潜心研发后，IBM推出世界上最强大的UNⅨ服务器—eServer p690（“Regatta”）。新系统基于先进的POWER4处理器，集成了多项主机技术。由多台p690服务器连接而成的超级计算机拥有1000多个 POWER4处理器，能够完成最为复杂的运算任务。

索尼、东芝和IBM宣布合作，共同开发一种用于宽带设备的高级芯片架构，这款代号为“CELL”的芯片将采用业界最先进的芯片研发和制造技术。应用该产品的设备性能将超过IBM“深蓝”超级计算机，并能以更低的功耗实现超高速宽带上网。

2002

IBM 推出64位PowerPC 970处理器，这款高性能产品可应用于普通台式机、入门级服务器等多种环境中。64位的PowerPC 970芯片基于POWER4服务器架构，采用独特的单指令多数据流（SIMD）单元，拥有超强处理性能。此外，它还采用了“Elastic I/O”内部总线结构，这是业界最快的处理器总线之一。

IBM 推出速度更快的POWER4+。截至2003年，POWER4+ 已经应用于全部pSeries产品线。 IBM 推出32路eServer iSeries 890服务器，其处理性能为 i840的两倍，采用1.3 GHz POWER4处理器，单个芯片上集成了1亿7400万个晶体管。