摘要：介紹了嵌入式系統(tǒng)中使用的基于CPCI總線的PowerPC主處理板的設(shè)計方法，以目前廣泛應(yīng)用的G4系列RISC微處理器MPC7410作為核心處理器,，以PC107作為控制器,，PCI6150作為PCI-to-PCI橋，加上FPGA控制電路構(gòu)成硬件平臺,，并移植VxWorks作為操作系統(tǒng),。提供多種標(biāo)準(zhǔn)接口，支持?jǐn)U展功能,，性能穩(wěn)定可靠,。
0 引言
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計算機(jī)制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，近年來應(yīng)用發(fā)展最為迅速,。它由PC機(jī)上的通用總線PCI發(fā)展而來,，既有PCI總線的高帶寬、高性能,、即插即用,、價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性,。CPCI總線在33MHz時鐘,、32位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達(dá)到峰值132MB/s的帶寬，在66MHz時鐘,、64位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達(dá)到峰值528MB/s的帶寬,。
PowerPC是1993年IBM、Apple和Motorola公司(其半導(dǎo)體部門現(xiàn)在分拆為Freescale公司)聯(lián)盟共同設(shè)計的,。PowerPC技術(shù)以RISC(精簡指令集計算機(jī))為基礎(chǔ),，該技術(shù)由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強(qiáng)RISC)體系結(jié)構(gòu)而來。PowerPC中的PC代表Performance Computing,，PowerPC即超強(qiáng)的高性能計算處理器,。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特點，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
主處理板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1,。主要由四部分組成：電源轉(zhuǎn)換功能模塊、PowerPC功能模塊,、外圍接口(RS232串口,、以太網(wǎng)口及PMC擴(kuò)展接口)功能模塊,、CPCI總線(PCI-to-PCI橋)功能模塊。
2 硬件設(shè)計
2.1 電源轉(zhuǎn)換功能模塊
電源設(shè)計在整個硬件設(shè)計中非常重要,，好的電源設(shè)計才能保證主處理板正常穩(wěn)定的工作。硬件上設(shè)計有4種電源：主供電電源5V(由外部提供),，PowerPC7410內(nèi)核電壓1.8V,，橋接芯片PC107內(nèi)核電壓2.5V，各芯片I/O電壓3.3V,。
采用LINEAR公司的DC/DC開關(guān)電源模塊實現(xiàn)主供電電源5V到1.8V,、2.5V和3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，每路最大輸出電流10A,。該DC/DC電源模塊代表了一種面向負(fù)載點電源的新型架構(gòu),，它顯著地簡化了電源設(shè)計工作。它具有很多優(yōu)秀的特點：高功率,、高效率,、尺寸小、重量輕,、散熱性能好等,，除此之外，它還具有的一項獨特性能是其無時鐘延遲電流模式,，從而令其能夠?qū)ω?fù)載電流的快速變化迅速做出響應(yīng),。
2.2 PowerPC功能模塊
2.2.1 處理器
處理器采用飛思卡爾公司的PowerPC處理器MPC7410。主處理器通過橋接器MPC107訪問板內(nèi)資源,。
MPC7410是G4系列的高性能處理器,，G4在G3的基礎(chǔ)上在性能上有很大提高，主要表現(xiàn)在支持對稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)和引入了一流的Alti-Vec技術(shù)來處理矢量運算,。AltiVec技術(shù)是一個128位的SIMD矢量處理引擎,，為第四代PowerPC提供了卓越的處理性能，使其數(shù)據(jù)處理能力有了數(shù)量級的提升,。
MPC7410內(nèi)部主頻最高為500MHz,，每個時鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，其中包括4條矢量運算(AltiVec)指令和2條整型指令,。通過加入AltiVec技術(shù),，處理能力達(dá)到了4G FLOPS。而1.8V的低電壓操作大大降低了芯片的功耗,，容易散熱,，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
MPC7410提供了兩種總線模式：60X總線模式和MPX總線模式,，不同的總線定義的信號也有所不同,?？偩€的選擇，可通過MPC7410的EMODE信號來選擇,，當(dāng)EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r也為高電平,，則選擇了60X總線。反之,，當(dāng)EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r為低電平,，則選擇了MPX總線。由于60X總線具有優(yōu)秀的連接性能和高數(shù)據(jù)傳輸速率,，在本設(shè)計中采用60X總線作為MPC7410和芯片組的連接,。
此外，還可通過對MPC7410的PLL信號設(shè)置產(chǎn)生不同的內(nèi)核頻率,，本設(shè)計中處理器的外部頻率為100MHz,，采用5倍的頻率系數(shù)，即處理器主頻為500MHz,。
2.2.2 L2 Cache
MPC7410處理器支持L2 Cache,，內(nèi)部集成了L2Cache接口控制器，提供L2 Cache接口的總線時序控制電路,，通過處理器內(nèi)部L2 Cache控制器可以訪問Cache存儲器,。主處理板上實現(xiàn)了總?cè)萘繛?MByte的L2 Cache，數(shù)據(jù)寬度為72位,，其中8位為校驗位,，64位為數(shù)據(jù)位。
2.2.3 橋接器
橋接器PC107是為PowerPC專門設(shè)計的橋芯片/存儲器控制器,，主要實現(xiàn)PowerPC到PCI的橋接功能,，同時管理memory，可以運行在高達(dá)133MHz的處理器總線頻率,。PC107提供其他嵌入式應(yīng)用必需的功能：處理器總線接口,、PCI總線接口、存儲器控制器,、智能輸入/輸出信息控制器,、I2C控制器、嵌入式可編程中斷控制器(EPIC),、雙通道集成DMA控制器,、時鐘控制部分等。根據(jù)在電路中所起的作用不同,，PC107的工作方式可分為host mode和agent mode兩種,。在host mode模式中，由PC107管理存儲器和PCI總線部分，PowerPC為整個系統(tǒng)的主CPU,。在agent mode模式中,，PC107用于和PCI主橋通信，PowerPC作為一個PCI設(shè)備,，受PCI主橋的管理,。本設(shè)計中PC107的工作方式為host mode。
2.2.4 存儲器
主處理板上設(shè)計有SDRAM存儲器,、系統(tǒng)FLASH存儲器,、64位用戶FLASH存儲器和NVSRAM存儲器。其容量配置見表1,。
2.2.4.1 SDRAM
在本設(shè)計中，SDRAM用于存放操作系統(tǒng)臨時數(shù)據(jù)以及應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和代碼,，為程序的運行和保存臨時文件提供空間,。SDRAM的管理由me-mory控制器來實現(xiàn)。橋接器PC107提供了高速SDRAM控制器,，數(shù)據(jù)寬度配置為64位,。PC107的SDRAM接口特點：SDRAM器件必須與SDRAM的JEDEC規(guī)范兼容，32位和64位數(shù)據(jù)可選寬度,，支持頁面式訪問,，支持8個物理bank，最大支持1GB的存儲大小,。本設(shè)計中SDRAM的總?cè)萘繛?12MB,，總線時鐘設(shè)計為100MHz。
由于SDRAM時鐘總線的頻率較高,，為了提高模塊的抗干擾能力和電磁兼容性,，在PCB布局布線，包括走線長度,、布線路徑,、阻抗匹配、線長線寬及間距等方面提出嚴(yán)格要求,，并且在PCB制作前期通過仿真對信號完整性進(jìn)行分析,，確保電路的可行性。
2.2.4.2 FLASH
本設(shè)計中FLASH分為系統(tǒng)FLASH和應(yīng)用FLASH,。系統(tǒng)FLASH地址分配在存儲空間的高端,，用于系統(tǒng)的啟動，系統(tǒng)FLASH上駐留BootRom引導(dǎo)程序,、上電BIT測試程序,、FLASH在板編程程序及操作系統(tǒng)。容量為4MB，8位數(shù)據(jù)寬度,。應(yīng)用FLASH用于儲存應(yīng)用程序,，總?cè)萘繛?56MB，64位數(shù)據(jù)寬度,。
2. 2. 4.3 NVSRAM
NVRAM是非易失存儲器,，用于存放系統(tǒng)重要信息，32kB存儲容量,，8位數(shù)據(jù)寬度,。
2.2.5 復(fù)位
主處理板硬件復(fù)位包括兩種：a.上電復(fù)位：外部電源5V電壓低于4.65V時，該主處理板處于復(fù)位狀態(tài),，外部電源5V電壓高于4.65V后,，產(chǎn)生大于200ms復(fù)位，復(fù)位整個硬件,，同時驅(qū)動CPCI總線復(fù)位信號,；b.手動復(fù)位輸入：由外部手動復(fù)位引起，復(fù)位整個硬件,，同時驅(qū)動CPCI總線復(fù)位信號,。
2.2.6 看門狗
主處理板具有看門狗功能，當(dāng)看門狗功能失效后,，產(chǎn)生看門狗中斷,，上電默認(rèn)為禁止。在FPGA內(nèi)部設(shè)置看門狗使能寄存器,，可以通過軟件使能或禁止看門狗,，看門狗定時器報警后產(chǎn)生中斷?？撮T狗定時周期由硬件設(shè)置,。
2.2.7 FPGA
FPGA主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的復(fù)位、中斷管理和相關(guān)接口的時序和邏輯控制,。本設(shè)計采用Xilinx的Virtex系列芯片,，該系列FPGA片內(nèi)含有豐富的寄存器/鎖存器、同步,、異步置位/復(fù)位信號,、鎖相環(huán)等。這款FPGA有30萬門,，260個IO管腳,，滿足設(shè)計要求。使用FPGA的另一個顯著優(yōu)點是可以不斷地完善程序,，進(jìn)行實時在線編程,。
2.2.8 定時器
PC107內(nèi)部提供4路32位定時器,，定時時鐘為PC107的輸入時鐘的1/8，精度±50ppm：時鐘中斷輸入到處理器,。其中定時器1作為操作系統(tǒng)定時時鐘,，其它3路定時器作為應(yīng)用程序操作時鐘，可通過軟件對其進(jìn)行設(shè)置,，最小定時周期為1ms,。
2.3 外圍接口功能模塊
2.3.1 以太網(wǎng)接口
主處理板提供10MB/100MB自適應(yīng)的快速以太網(wǎng)接口，該以太網(wǎng)接口的設(shè)計基于橋接器PC107控制的PCI總線,，基本框圖如圖2所示,。主要由以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45三部分組成,。其中以太網(wǎng)控制器采用Intel公司的高集成度,、高性能、低功耗10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制芯片,，專用于局域網(wǎng)到桌面的解決方案,，如作為服務(wù)器、個人計算機(jī)和移動平臺的入網(wǎng)接口,，符合LOM(LAN On Motherboard)設(shè)計規(guī)范。以太網(wǎng)控制器通過片上的命令和狀態(tài)寄存器經(jīng)由PCI總線和處理器MPC7410通信,，包含了MAC控制器和物理層接口,，可工作在半雙工模式和全雙工模式。
以太網(wǎng)控制器通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器驅(qū)動RJ45網(wǎng)線接口,，用來支持10/100BASE-T,，實現(xiàn)與外界通信。
2.3.2 RS232串口
RS232串口的使用使本設(shè)計更具通用性,，可以和具有相同類型串口的設(shè)備進(jìn)行通信,。主處理板提供兩路RS232串行接口，用于與開發(fā)平臺的通訊,，串口部分通過EXAR公司的UART通訊控制器來實現(xiàn),，它帶有16字節(jié)的FIFO和半雙工控制，最大傳輸速率1.5Mbps,。
2.3.3 PMC擴(kuò)展接口
主處理板支持2個64bit/66MHz的PMC擴(kuò)展接口,，該接口滿足PCI2.2規(guī)范，可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求進(jìn)行擴(kuò)展,，如千兆網(wǎng)卡,、數(shù)據(jù)采集卡、顯卡,、電子盤等,，使系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。
2.4 CPCI總線功能模塊
主處理板基于CPCI總線，CPCI總線的電氣特性與PCI總線相同,。目前CPCI已經(jīng)取代VME以及STD工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，成為工業(yè)界的新一代標(biāo)準(zhǔn)。主處理板遵從Eurocard工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，定義了6U(233.35mm×160mm)板尺寸,，CPCI板連接器共有5個插座，J1～J5,。規(guī)范定義了J1和J2的信號線管腳,，J3～J5為自定義插座，如圖3所示,。
本設(shè)計中用PLX公司的PCI-to-PCI橋芯片實現(xiàn)CPCI總線接口,。該芯片提供標(biāo)準(zhǔn)的33MHz～66MHz的PCI總線接口，支持32位/64位PCI設(shè)計,，該芯連接PCI設(shè)備不需要額外的驅(qū)動電路和邏輯,，可直接和主處理板內(nèi)部PCI信號直接連接。
3 底層軟件
主處理板移植性能穩(wěn)健的VxWorks操作系統(tǒng),，它對很多設(shè)備提供支持,，且設(shè)備驅(qū)動程序都采用模塊化設(shè)計，各模塊之間功能明確,、接口規(guī)范,。
主處理板的底層軟件由兩個部分組成：BootRom引導(dǎo)代碼和VxWorks操作系統(tǒng)映像。系統(tǒng)上電先啟動BootRom引導(dǎo)程序,，然后把引導(dǎo)代碼段和數(shù)據(jù)段從Flash拷至SDRAM中,，引導(dǎo)代碼執(zhí)行后跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像執(zhí)行。本系統(tǒng)采用網(wǎng)口加載VxWorks映像,，這種啟動形式有獨特優(yōu)點,，能適應(yīng)硬件，方便調(diào)試和現(xiàn)場升級等,。
BootRom引導(dǎo)代碼固化在主處理板的Flash上,，作用是將主處理板的最小系統(tǒng)啟動起來，以完成加載和執(zhí)行VxWorks映像的目的,。BootRom相對于VxWorks映像來說功能比較簡單,，大小易于控制。BootRom成功運行后,，啟動了保護(hù)模式和文件系統(tǒng)支持,，驅(qū)動了網(wǎng)絡(luò)、串口等輔助設(shè)備,，消除了硬件環(huán)境對程序映像的限制,，使得VxWorks應(yīng)用程序的制作和加載變得自由隨意,。
4 結(jié)束語
CPCI總線是高速同步共享總線，基于此標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)的主處理板設(shè)計采用高性能的RISC微處理器MPC7410,，并且移植VxWorks操作系統(tǒng),，保證了基于CPCI總線的主處理板的穩(wěn)定性和可靠性。此外,，主處理板還提供多種標(biāo)準(zhǔn)接口,，能方便實現(xiàn)對系統(tǒng)中其他擴(kuò)展板如以太網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集卡,、顯卡,、電子盤等的系統(tǒng)控制、管理及信息交換,，提高系統(tǒng)性能,。本主處理板現(xiàn)已應(yīng)用于某型號顯控處理機(jī)，它還適用于任何CPCI總線系統(tǒng),，可在聲吶,、雷達(dá)、顯控等軍用或民用信號處理領(lǐng)域發(fā)揮作用,。