英飞凌Tricore内核学习笔记

lidenghui

在车载控制器中常用的主芯片中，少不了英飞凌的Aurix系列芯片。该系列芯片中可能用的比较多的是TC27X，其总共有三个核心，分别为两个Tricore1.6P性能核、一个均衡核Tricore1.6E。

这三个CPU主要特点如下：

1.32位加载存储架构

2.4GB 寻址范围

3.灵活的内存保护系统，提供多组保护套件，每套保护范围多

4.时间保护系统允许时间有限的实时操作等

TC1.6和TC1.6E的架构仍然采用哈弗架构，具有独立的指令接口和数据接口，从而支持高效的数据与指令访问。TC1.6P核主要是由程序存储区接口、数据存储区接口、取值单元、执行单元（3个流水线，整数运算、加载或存储和循环、浮点处理单元（支持IEEE-754），通用寄存器组（16个地址寄存器：A0~A15,16个数据寄存器：D0~D15）、CPU从接口（中断和系统控制等）组成）。

与TC1.6E的主要区别在于执行单元，TC1.6P的核有三个流水线（整数运算、加载存储和循环），每个流水线都有6级状态（指令预取1，指令领取2，预解码、解码、指令执行1,、指令执行2）。TC1.6E的核有1个流水线（整数运算和加载存储实际上在一起），流水线有4级状态（取值，解码，指令执行1，指令执行2）。

TC1.6P概述

1.CPU图

如下图所示，中央处理单元（CPU）包括指令获取单元，执行单元，通用寄存器文件（GPR），CPU从接口（CPS）和浮点单元（FPU）。


图1 TC1.6P核框图

2.取指令单元

指令获取单元预取和对齐来自64位宽程序存储器接口（PMI）的输入指令。说明按发行日期中的预测程序顺序排列。Issue fifo最多可缓冲六条指令，并将指令指向适当的执行管道。

指令保护单元检查对PMI的访问的有效性以及从PMI获取的传入指令的完整性。

分支单元检查分支条件的获取指令，并根据先前的分支行为预测最可能的执行路径。程序计数器单元（PC）负责更新程序计数器，如下图所示。



图2 指令获取单元

3.执行单元

执行单元包含整数管道，加载/存储管道和循环管道。所有三个流水线并行运行，允许在一个时钟周期内执行最多三条指令。在执行单元中，所有指令都通过解码阶段，然后是两个执行阶段。通过在流水线级之间使用转发路径来最小化管道危险（停顿），从而允许一个指令的结果在结果可用时由后续指令使用。如下图所示。



图3 执行单元

4. 通用寄存器文件

CPU具有通用寄存器（GPR）文件，分为地址寄存器文件（寄存器A0至A15）和数据寄存器文件（寄存器D0至D15）。

发送到加载/存储管道的指令的数据流通过地址寄存器文件进行控制。如下图所示。

发往/来自整数流水线的指令的数据流以及发给加载/存储流水线的数据加载/存储指令的数据流通过数据寄存器文件进行控制。



图4 通用寄存器文件

TC1.6E概述

1.CPU图

如下图所示，中央处理单元（CPU）包括指令获取单元，执行单元，通用寄存器文件（GPR），CPU从接口（CPS）和浮点单元（FPU）。



图5 TC1.6E核框图

2.取指令单元

指令获取单元从32位宽的程序存储器接口（PMI）中预取和对齐输入的指令半字。问题单元将单个对齐的指令定向到适当的执行管道。如下图所示。

指令保护单元检查对PMI的访问的有效性以及从PMI获取的传入指令的完整性。



图6  取指令单元

3.执行单元

执行单元包含整数管道和加载/存储管道。在TC1.6E中，循环指令始终由加载/存储管道执行。

TC1.6E在每个时钟周期发出一条指令，因此在一个时钟周期内不会执行多于一条指令。如下图所示。



图7 执行单元

4.通用寄存器文件

CPU具有通用寄存器（GPR）文件，分为地址寄存器文件（寄存器A0至A15）和数据寄存器文件（寄存器D0至D15）。如下图5-8.

发送到加载/存储管道的指令的数据流通过地址寄存器文件进行控制



图8  通用寄存器单元

上下文保存区/上下文操作

CPU对函数调用，中断和陷阱使用统一的上下文切换方法。在所有情况下，任务的Upper Context都由硬件自动保存和恢复。保存和恢复较低上下文可以可选地由软件执行。

在TC1.6P中，上下文保存区域（CSA）和显式上下文加载/存储指令（例如LDLCX）所针对的地址可以放置在DSPR或外部存储器（高速缓存或未高速缓存）中。

在TC1.6E中，上下文保存区域（CSA）和显式上下文加载/存储指令所针对的地址可以仅放置在DSPR中。

DSPA中的CSA安置上下文操作的实际时间取决于上下文保存区域的位置。将上下文保存区域放置在DSPR中时可实现最高性能。在这种情况下，所有上下文保存和恢复操作都需要四个周期。

缓存外部存储器中的CSA放置（仅限TC1.6P）在这种情况下，时序也取决于数据高速缓存的状态。当上下文保存不会导致高速缓存行回写，并且在数据高速缓存中命中上下文时，会发生最佳情况数据高速缓存操作。在这种情况下，所有上下文保存和恢复都需要8个周期。

程序计数器（PC）寄存器

程序计数器（PC）保存当前获取并转发到CPU流水线的指令的地址。CPU自动处理PC的更新。

软件可以使用PC的当前值来执行各种任务，例如执行代码地址计算。通过CPU执行的软件读取PC只能通过MFCR指令完成。这样的读取将返回MFCR指令本身的PC。由于CPU可能出现意外行为，因此不得通过MTCR指令对PC进行显式写入。只有在CPU停止时才能写入PC。

CPU不得对段15中的PC的映射地址执行加载/存储指令。在这种情况下将生成MEM陷阱。PC寄存器的位0是只读的，并且硬连线为0。

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作为汽车工程师，深知英飞凌的Aurix系列芯片在汽车领域的应用广泛。其中的TC27X芯片配备三个核心，包括两个高性能的Tricore1.6P核心和一个均衡的Tricore1.6E核心。这些核心采用32位加载存储架构，拥有4GB的寻址范围，保证了其在车载控制器中的出色性能。其灵活的内存保护系统确保了数据的安全，同时其时间保护系统支持实时操作。TC1.6系列的架构基于哈弗设计，拥有独立的指令和数据接口，确保了数据和指令的高效访问。总体来说，TC27X芯片凭借其强大的性能和先进的技术，在车载控制器领域具有广泛的应用前景。