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欧比特 S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司

2017 年8月S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司 i 目录第1章公司概况

1 第2章S698 系列处理器技术简介.

2 2.1 SPARC 架构 LEON 核处理器介绍

2 2.2 S698 系列处理器产品发展历程.3 第3章S698 系列处理器芯片产品介绍

5 3.1 S698PM 芯片

5 3.2 S698P4-II 芯片.9 3.3 S698-T 芯片

11 3.4 S698-MIL 芯片

15 第4章S698 系列处理器平台配套软件

19 4.1 ORION6.0 集成开发环境.19 4.2 DMON2 调试器

20 4.3 V8MON 调试器

22 4.4 VXWORKS 操作系统及板级支持包

23 4.5 ECOS 操作系统及板级支持包.24 4.6 RTEMS 操作系统及板级支持包

25 4.7 LINUX 操作系统及板级支持包

26 第5章S698 系列处理器的应用情况.27 第6章S698 系列处理器典型应用案例

28 6.1 基于 S698PM 的应用开发平台.28 6.2 基于 S698PM 的ATR 机箱

29 6.3 基于 S698PM 的箭载计算机.30 6.4 基于 S698PM 的微小卫星计算机.31 6.5 基于 S698-T 的应用开发平台.32 6.6 基于 S698-MIL 的流量计算机.33 第7章欧比特 SOC 产品定制化服务

35 第8章S698 系列处理器发展规划.36 附录 1:产品选型表.37 S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司

1 第1章 公司概况 珠海欧比特宇航科技股份有限公司(股票代码:300053)是国内具有自主知识 产权的高科技企业, 公司主要从事于核心宇航电子芯片/系统 (SOC、 SIP、 EMBC) 、 微纳卫星星座及卫星大数据、人脸识别与智能图像分析、人工智能系统、微型飞 行器及智能武器系统的自主研制生产,技术及产品服务于航空航天、工业控制、 国土资源、市政工程、智能安防、大众消费等领域. 公司是首家登陆深圳证券交易所创业板的 IC 设计公司(2010 年) ,是我国宇 航SPARC V8 处理器 SOC 的标杆企业、立体封装 SIP 宇航模块/系统的开拓者、人 脸识别与智能图像分析技术应用领头羊、 卫星星座运营及卫星大数据应用领航者. 公司总部位于广东省珠海市高新技术开发区 欧比特科技园 ,园区内具备超 强的设计生产环境,建设了超净车间、SOC 陶瓷封装生产线、SIP 立体封装生产 线、SMT 生产线、数字化电子生产车间、卫星运营控制中心、卫星数据存储与处 理中心、卫星大数据应用示范中心等. 公司通过了 高新技术企业 和 集成电路设计企业 ,首批通过了 双软 认证, 是SPARC 国际协会会员单位、国家 IP 核库高级会员、半导体行业协会会员、珠 海南方集成电路设计服务中心特约客户和珠海市软件协会和信息协会理事单位、 国家火炬计划项目的先进研制单位、 国家军民融合及 一带一路 重大战略的实践 单位. 子公司广东绘宇智能勘测科技有限公司具有测绘甲级资质;

子公司广东铂 亚信息技术有限公司通过了 CMMI 三级认证, 具有 信息系统集成与服务 一级资 质. 欧比特公司坚持技术创新与行业应用相结合,践行 以客户需求为导向,从 系统中来,到系统中去 的业务发展模式,积极落实发展战略部署,加大业务整 合力度,扩展产业链,使公司业务从航空航天核心元器件、部件及系统集成逐步 延伸到微纳卫星星座运营和卫星大数据服务.欧比特公司正在为成为 一流的商 用宇航公司 的宏伟目标而努力奋斗. S698 系列处理器技术及产品白皮书

2 珠海欧比特宇航科技股份有限公司 第2章S698 系列处理器技术简介 2.1 SPARC 架构 Leon 核处理器介绍 SPARC (Scalable Processor ARChitecture 之缩写)是一种 RISC 处理器指 令集结构.作为一种体系结构,SPARC 架构具备易扩展、易裁减特点.SPARC 处 理器由 SUN MICROSYSTEMS 公司发明设计,并于上世纪

80 年代成为 SUN 工作站的 主流芯片.后来,为更好地服务于信息产业并广泛推广使用,SUN 公司将 SPARC 处理器标准公开,并交由 SPARC INTERNATIONAL 维护管理.SPARC 系列宇航处理 器是高性能嵌入式处理器家族中重要成员,并具有可扩展性、及可配置性,在航 天航空领域得到广泛的应用. 欧空局 (ESA) 于1992 年决定采用 SPARC 处理器作为其新一代的宇航处理器 架构,并推出了第一款基于 SPARC V7 指令集的套片 ERC32,成功使用于当时的 国际太空站及部分卫星型号,开创了 SPARC 宇航芯片应用的先河.1998 年ESA 又推出了整合 ERC32 套片之后的单片 TSC695.TSC695 芯片内嵌 ERC32 内核,设 计使用原理图输入的方法,该设计方法设计难度高,功能扩展困难,代码可读性 差,同时 ERC32 内核接口设计复杂,总线访问速度慢(最高只能达到 20MHz) . 为了解决 ERC32 的短板, 欧空局启动了 LEON 项目, 该项目的目标是: 提供开放、 可靠的处理器设计.LEON 被定位为一个基于 SPARC V8 RISC 体系结构和指令集 的微处理器内核, 该内核采用模块化功能设计方法和标准化接口设计技术,使用 硬件描述语言 VHDL 实现, LEON 核最突出的优势是其良好的可配置性和可移植性.

2002 年第二代 LEON 核Leon2 核由 Gaisler 公司发布,Leon2 核包含一个整型处 理单元和一个浮点处理单元, 采用

5 级指令流水线和 AMBA 片内总线;

同年 ATMEL 公司基于 LEON2 核设计生产了高可靠宇航级芯片 AT697.LEON2 只支持单个处理 器,内核性能依然不高,且开发复杂,不能通过 CAD 软件进行一键式完成.随着 宇航任务越来越复杂,其对宇航处理器的性能要求越来越高,显然单核的 LEON2 已不能适应后续航空航天的应用需求.2004 年第三代 LEON 核LEON3 由Gaisler 公司发布,与LEON2 相比 LEON3 实现了对称多核处理器(SMP)的支持,采用

7 级指令流水线.LEON3 采用 GRLIB IP 库的模式开发,具有灵活的 IP 模块挂载和 S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司

3 统一的硬件和软件调试接口,能方便使用 CAD 工具进行开发管理.产品方面, Gaisler 公司基于 LEON3 核开发了 GR712RC、 UT699 和UT700 三款宇航芯片.

2010 年,LEON4 核标准发布;

LEON4 核采用先进的 Non-blocking 流水线技术、指 令流缓存器技术, 具有带指令 FIFO 的浮点控制器, 带DMA 功能的缓存器控制器,

128 位处理器交互总线以及整型处理和浮点处理并行的双流水线指令执行系统. 2.2 S698 系列处理器产品发展历程 高性能 SOC 芯片技术是高新技术领域中的关键与核心技术,自2000 年起, 中国自主知识产权的嵌入式处理器及其操作系统的研发已开始启动, 并着力打造 中国芯 系列产品.欧比特公司积极响应国家的倡导,于2001 年立项开展基 于SPARC V8 架构的嵌入式 SOC 芯片的研制,后一直致力于 SPARC 架构处理器技 术的研究及推广工作, 是国内最早开展 SPARC 架构嵌入式处理器设计的研发单位.

2003 年欧比特公司推出了与 LEON2 核兼容的 S698 处理器, 采用 0.25um 工艺, 主频可达 100MHz;

又于

2004 年和

2010 年分别推出了二款基于 LEON2 核的处理 器S698-MIL 和S698-T,这二款芯片目前都得到了大规模的应用.

2011 年欧比特公司推出了全球第一款基于 LEON3 核的四核处理器 S698P4, S698P4 采用 0.13um 工艺,主频可达 400MHZ.

2013 年欧比特公司自主研制的与 LEON4 核兼容的具有抗幅照功能的多核处 理器 S698PM 成功流片,该芯片是世界上第一款兼容 LEON4 核的 SOC 芯片,该芯 片除了具有 LEON4 核所有的优点外,还集成了丰富的片内外设.经过大量实际对 比测试,S698PM 芯片无论是最高频率还是综合处理性能、浮点处理性能、可靠 性等方面都比目前市场上其他的嵌入式 SPARC SOC 芯片高出许多, 竞争优势明显. 目前欧比特公司正在启动 LEON-X 核处理器的研究,计划对处理器功能作进 一步的扩充,对处理器性能作进一步的升级. S698 系列处理器技术及产品白皮书

4 珠海欧比特宇航科技股份有限公司 图2-1 欧比特公司 SPARC 架构系列嵌入式处理器发展现状 图2-2 S698 系列处理器芯片实物图 S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司

5 第3章S698 系列处理器芯片产品介绍 欧比特公司自研及量产的 S698 系列处理器芯片产品主要有:S698-MIL、 S698-T、S698P4-II、S698PM 四款,其中 S698-MIL、S698-T 为单核处理器, S698P4-II、S698PM 为多核处理器. 3.1 S698PM 芯片 S698PM 芯片是一款抗辐照型的高性能、高可靠、高集成度、低功耗的多核并 行处理器 SOC 芯片.S698PM 采用对称多处理架构(SMP) ,遵循 SPARC V8 标准, 专为高端嵌入式实时控制及复杂计算等应用而设计. S698PM 芯片内部集成

4 个相同的高性能处理器核心,每个处理器核心均由

32 位RISC 整型处理单元(IU)、双精度浮点处理单元(FPU) 、高速一级缓存(L1 Cache)和存储器管理单元(MMU)等组成. S698PM 芯片内部集成了丰富的片上外设,包括 GPIO、UART、定时器、中断 控制器、调试支持单元、存储器控制器、1M/10M 的1553B 总线控制器、CAN 总 线控制器、10M/100M 以太网控制器、SpaceWire 总线节点控制器、CCSDS 遥控/ 遥测控制器、USB2.0 主控器、SPI 主控器、I2C 主控器等功能模块. S698PM 芯片内嵌在线调试支持单元(DSU),用户可以通过 JTAG、 UART 或以太 网等接口连接 DSU 来访问芯片内部的寄存器、存储器和片内外设,可以方便地进 行软、硬件调试和开发.S698PM 芯片支持 RTEMS、 eCOS、VxWorks、Linux 等实 时嵌入式操作系统, 用户可方便地实现嵌入式实时控制系统的高性能多核并行处 理设计. S698PM 芯片内部所有逻辑单元具有三模冗余(TMR)加固,片内与片外存储 器进行了检错纠错 (EDAC) 加固, 芯片抗辐照指标满足高可靠、 抗辐照产品要求. S698PM 芯片可广泛应用在航空、航天、电子、核工业、兵器、船舶、测控、 工业控制等领域.S698PM 处理器的系统框图如图 3-1 所示. S698 系列处理器技术及产品白皮书

6 珠海欧比特宇航科技股份有限公司 图3-1 S698PM 芯片结构框图 S698PM 处理器的主要技术特点: ? 采用对称多核(SMP)架构体系,片内集成了

4 个相同的处理器核心 ? 每个处理器核心配置了: ?

32 位SPARC V8 整型处理单元(IU),符合 IEEE-1754 标准 ?

64 位双精度浮点处理单元(FPU),符合 IEEE-754 标准 ? 一级缓存(含32KB 指令缓存 ICache 和16KB 数据缓存 DCache) ? 存储器管理单元 MMU ? 硬件乘法器和除法器 ? 支持 MAC 和UMAC 等DSP 指令 ?

7 级指令流水 ? 基于 AMBA2.0 标准总线的可裁减结构 ? 各个处理器核互联总线:128-bit 带宽的 AHB ? 片内高速外设互联总线:32-bit 带宽的 AHB ? 片内低速外设互联总线:32-bit 带宽的 APB ? 128-bit AHB 与32-bit AHB 间的转换桥:AHB/AHB bridge ? 32-bit AHB 与32-bit APB 间的转换桥:AHB/APB bridge ? 两级缓存结构 S698 系列处理器技术及产品白皮书 珠海欧比特宇航科技股份有限公司

7 ? L1 Cache:一级缓存,含32KB ICache 和16KB DCache,位于处理器核 心中 ? L2 Cache:二级缓存,512KB,位于外存储器控制器与 128-bit AHB 总线 之间 ? 片内外设 ? 存储器控制器,支持 ROM、SRAM、DDR

2、MAP IO,支持

32 位、16 位和8位的数据位宽 ? 中断控制器,支持片内设备中断和可编程的外部中断 ?

4 通道的 SpaceWire 总线节点控制器,其中 - SPW

0、SPW1 内置 LVDS 驱动器 - SPW

2、SPW3 无内置 LVDS 驱动器,需要外扩驱动芯片 ?

2 通道的 1M/10M 速率 1553B 总线控制器 ?

2 通道的 CAN2.0 总线控制器 ? CCSDS 遥控遥测 TM/TC 模块 ? JTAG 控制器,符合 IEEE-1149 标准 ? 10/100M 自适应以太网控制器 ? USB1.1 HOST 接口 ? 在线硬件调试支持单元 DSU ........