中央处理器 (CPU) | Wii U 架构

我希望你还有一些时间，因为我们仍然需要从_中央芯片_开始深入 Wii U 的内部结构.

起源与猜想

自从 Wii U 发布以来 (以 Project Cafe 被熟知), 关于新的中央处理器将由什么组成，有很多猜测. 在某个时候，大家都猜测任天堂将采用IBM的 POWER 系列的现代版本. 我想玩家都期待着一款突破性的 CPU，就像六年前 Cell 和 Xenon 所展示的那样. 此外，随着 PowerPC 的衰落 (最明显的是苹果在2006年改用英特尔核心)，认为IBM的任何新 CPU 都将作为 POWER 架构的升级版的想法并不太牵强.

诚然，之前的逻辑有一个错误，那就是任天堂不喜欢新兴技术. 相反，他们的方案侧重于抓住现有技术，寻找创新和巧妙的用途. 这不一定是一个坏特性，因为任天堂的工程师们非常聪明地展示了技术被认为"过时"的最先进的应用程序. 看看 Game Boy 的 Z80 hybrid，或者任天堂ds上的降频ARM9，甚至是名为 "Wii" 的部分升级的游戏机. 如果说所有这些都有共同点的话，那就是它们都打破了销售记录. 现在，Wii U 会加入这个队伍吗？答案我想我们都应该知道了.

第8代架构

在上一个世代主机中，索尼和微软在降低成本的当代技术上下了很大的赌注 (有些比其他人风险更大). 对于 Wii U，任天堂的方向略有不同，专注于低成本、低功耗和向后兼容性 . 后者将对这款主机的最终设计产生重大影响. 因此，新的CPU没有提供任何激进的组件，而是试图赶上行业的最新进步 (多核处理、GHz级别速度等).

话虽如此，任天堂与 IBM 合作推出了他们的新 CPU. 它叫做 Espresso，运行频率为 1.24 GHz .

现在，让我们深入谈谈 Espresso:

Espresso 的概览图

......和这个系列中的任何其他文章一样，我会解释它是如何工作的。

熟悉的面孔

在我们开始进行真正的分析之前，让我回过头来看一下上一个图表。正如你在那里看到的，Espresso 是一个对称的多核系统，就像 Xenon 一样. 但这还不是全部，因为 Espresso 的每一个内核似乎都是 IBM 的 Broadway 的复制品，与 Wii 使用的内核完全相同 (或者换种说法，它是 GameCube 中的 Gekko 的调整版本).

对于 Espresso 的研究

我们现在来看看 Espresso 是如何构造的. 正如我已经解释过的 Broadway 和 Gekko 如何工作我将侧重于Espresso的新颖之处，即它的多核心布局、缓存系统和内存.

在这一点上，可以公平地说，任天堂和 IBM 都没有公开记录 Espresso 的内部工作原理 (与 Xenon 和 Cell 不同，这两者有许多 IBM 工程师在 IBM 现已关闭的 developerWorks 门户网站上发表了关于它们文章). 我想这两个公司都没有计划在 Wii U 之外将 Espresso 商业化. 即便如此，这一部分之所以成为可能，是因为 fail0verflow (又名 Team Twiizers) 等黑客组织花费了无数小时，他们不仅成功地对这个系统进行了逆向工程，还花时间发布了有关它的文档 (如果你喜欢这个话题，别忘了看引用的文档). 在这项研究中，我将第三方研究与 IBM (与 Broadway 有关) 和 Freescale 的公开信息相结合，结果如下.

'多核心' 的 Broadway

四个 512 MB DDR3 芯片旁边的大型 SoC (包括了 Espresso 和其他的一些芯片)

Espresso 拥有三个基于 PowerPC 750CXe 架构的CPU 核心. 这些设计的日期可追溯到2001年，意味着数据路径和指令组的状态与10年前大致相同. 为了做出区别， PowerPC 处理单元 (Xenon和Cell的主要核心) 选择了 POWER4 的设计，并为了相应主机的要求重新设计了它.

让我们继续，Espresso实现了 对称多核心布局... 但如何使用这些旧核心？好吧，IBM在一个常见问题的门户网站 (现已关闭) 中解释说，750已经支持多核运算，它只需要额外的程序来维护缓存的完整性 (在不同的L1、L2和TLB之间)。然而，通过软件来做到这一点会抵消多核处理器设计的优势，所以这种想法从未被采纳...... 也就是说，任天堂需要再次与IBM合作.

最后，IBM使用了三个Broadway CPU，将时钟提升至1.24 GHz 并包装了额外的 L2 缓存和必要电路，用来处理总线竞争与缓存一致性问题(因此不必用软件来完成). 这就是Espresso.

灵活的总线

Espresso 内部核心的结构

连接CPU核心和外部组件的外部总线有一个有趣的历史。可以追溯至1993年 摩托罗拉88110的发布. 在 AIM 联盟形成后，IBM 和摩托罗拉各自基于他们的最强技术创造了一款联合CPU. IBM贡献了他们的POWER架构，摩托罗拉贡献了88110 CPU的总线设计. 在1993年，PowerPC 601问世.

PowerPC 601采用了名为 60x bus 的总线协议。这在当时是相当先进和灵活的，支持64位操作、更快的时钟速度、以及缓存一致性和多处理器配置(因此IBM表示750 CPU可以进行多核运算) 。所有的一切都让我想起了日立的SUPER H技术（Super H处理器核心家族由日立在90年代早期开发，Super H指以32位元存取的精简指令集架构，SH4曾被用在世嘉DC）

回到Wii U, IBM再次使用60x bus连接Espresso的三个核心。此外，他们还实现了一种总线的变体，将Espresso(作为芯片) 与主板的其他部分连接起来.

如果你想知道目前60x bus的采用情况，恐怕它早已被摩托罗拉为PowerPC 74xx系列(也称为"G4") 实现的一种名为"MPX"的改进协议所取代. MPX总线通过使用"数据流"来减少等待状态，解决了60x bus的不足，如数据吞吐量慢 . 另一方面，IBM展示了他们的"弹性接口"总线，包括PowerPC 970系列(G5) 和POWER4 .

改进空间

正如 fail0verflow 强调的那样，Wii U 作为一个系统实际上缓存是不一致的. 外部I/O可以在Espresso不知道的情况下改变内存，因此缓存在这些情况下不会被自动刷新。相比之下，Xbox 360的南桥在外围设备DMA到主RAM之后会通知缓存。

此外，PowerPC针对多核心环境下的两条指令。 lwarx (Load Word和Reserve Indexed) 和stwcx (tore Word Condition Indexed), 不再能够正常工作. 正如fail0verflow所指出的，这些现在需要手动刷新缓存才能按预期工作。至少它不是第一个带有损坏指令的 PowerPC 变体(参见 Xbox 360 的 xdcbt).

幸运的是，这并不全是坏消息. 至少Espresso继承了Gekko的乱序执行，而这一点不得不从 Xenon 和 Cell 中删除。

可用内存

本节既简单又复杂. 综上所述，有三个地方可以存储易失性数据：

大容量的2GB DDR3 SDRAM，被称为MEM2.
一个较小的 32MB EDRAM ，被称为 MEM1.
一块更小的3MB 1T-SRAM称为MEM0.

造成这种差异的原因是，你可能记得Wii 和 GameCube时代的MEM1和MEM0. 它们在Wii U上得到了延续，尽管MEM1略有增加.

通用内存的内存布局（在"Wii U"模式下）.

不管怎样，从开发者的角度来看，只有MEM2和MEM1(两个较大的内存) 可以访问。 2GB的DDR3内存可以保存任何类型的数据(同时包括CPU和GPU)，而其他两个的功能则更为有限. MEM1 用于图形数据("图形"部分有更多详细信息), 操作系统使用 MEM0("操作系统"部分有更多详细信息).

在某些方面，该系统遵循统一内存架构(UMA)。尽管MEM1和MEM2处于中间层，但我不能说这个系统完全符合UMA模式(不同于某些竞争者)。

GDDR3 或 DDR3 ？

旧Wii 使用 GDDR3 内存，用于图形操作的速度特别快。 Wii U的选择不仅更大，而且还具有一个新类型，叫做 DDR3 (命名开头没有"G"). 这是否意味着Wii U已被降级？令人困惑的是，没有。

GDDR3 内存是 DDR2 的改进版本，用于图形相关功能. 几年后，DDR3到来，它同时继承了DDR2和GDDR3. 你是否感到了困惑？好吧，让人更加困惑的是，后续的GDDR4和GDDR5是在DDR3基础上的增强，而不是其他。

这种命名方式具有不必要的欺骗性. 但我们不要失去重点，Wii U采用了DDR3，这意味着与Wii的GDDR3相比，带宽更高。

成为一个Wii

我很想说，虽然新硬件在某些方面看起来不尽如人意，但对Wii的向后兼容性达到了与Nintendo DS或Game Boy Advance一样的水准.

使用的方法也与这两种机型相同. Wii U不再采用软件模拟或临时硬件， 而是作为Wii的超集. 因此，可以通过隐藏其现代功能轻松复制 Wii 的硬件。

所以，每当Wii U决定 "变成Wii"时，Espresso就会停用两个核心 (保留一个Broadway 核心) ，MEM2会隐藏1984MB的内存 (保留64MB的内存). 一旦进入"虚拟 Wii"(vWii) 模式，旧的 Wii 游戏就可以安全地认为它在真实的 Wii 上运行。

这种兼容模式背后还有更多细节，包括_模糊_I/O(在适当的时候解释)，所以如果你对这个过程感到好奇，请继续阅读！

PowerPC的最后一次冒险

当我们即将结束CPU部分时，这似乎是我最后一次分析基于PowerPC的系统 (至少按时间顺序排列，我还没有谈到苹果Pippin).

PowerPC有一段有趣的发展历程，起起落落. 虽然它没有成功地推翻x86，但它确实征服了三代游戏机。

无论如何， 我们热爱的 Espresso 实质上是对一个完全过时的平台进行的现代化改进。 IBM和摩托罗拉都已经放弃了 750CL 系列，分别转而支持 7400 和 970 系列. 然而，IBM如何挖掘他们的旧设计来生产一款能够在2010年进行竞争的游戏主机，这很令人好奇。但我猜测，Espresso没有消费者版本的现象，证明了IBM对进一步推广Espresso并不感兴趣.

但是，就像Xenon或Cell一样，这都是进化的一部分。我不相信这类技术会被遗忘或放弃，它们的设计和专业知识最终会融合到其他项目中。

Wii U 架构

Chapter 4: 中央处理器 (CPU)

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