0 引言
在設(shè)備更新?lián)Q代時(shí),，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行合理的升級(jí),，不僅能提升設(shè)備的性能，同時(shí)還可以延長設(shè)備壽命,，降低全壽命周期的費(fèi)用,，同時(shí)升級(jí)后的設(shè)備在使用維護(hù)上還具有良好的繼承性。
80486處理器雖然已問世十多年,，但在各個(gè)領(lǐng)域,，尤其是機(jī)載航電系統(tǒng)中仍有大量應(yīng)用。目前使用80486處理器的大多數(shù)模塊,，普遍存在系統(tǒng)集成度偏低,、總線傳輸速率較慢的缺點(diǎn)。針對(duì)這一問題,，本文結(jié)合某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU模塊的升級(jí),，提出一種解決方案，該方案采用PCI總線提升系統(tǒng)性能,，同時(shí)將部分功能單元以IP核(InteUectual Property Core)的形式集成到FPGA中,，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)(CPU模塊采用PMC標(biāo)準(zhǔn)板卡外形及安裝方式)。
1 典型采用80486處理器的模塊結(jié)構(gòu)
圖1為一種典型的采用80486處理器的模塊(以下簡稱典型80486模塊)結(jié)構(gòu)圖,。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的1／2ATR外形尺寸,，系統(tǒng)總線采用LBE(Local Bus Extension)總線，最大傳輸速率約40Mb／s,，模塊重量約380g,，功耗約5W(5V，1A),。
2 小型化80486 CPU模塊設(shè)計(jì)
小型化80486CPU模塊(以下簡稱CPU模塊)由處理器,、FLASH、SRAM,、NVRAM,、可編程邏輯、看門狗,、時(shí)鐘,、PCI接口電路、RS232串行接口電路,、DC／DC電路和隔離電路組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
CPU模塊與典型80486模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異對(duì)比見表1,。
2．1 硬件設(shè)計(jì)
2．1．1 處理器及存儲(chǔ)器電路
CPU模塊的處理器及存儲(chǔ)器配置如下,；a．處理器采用AMD公司的AM80486DX2處理器，外部輸入時(shí)鐘33MHz,，內(nèi)部工作頻率66MHz,，芯片工作在保護(hù)模式下,，最大尋址空間為4GB；b．FLASH 4MB,，SRAM 1MB，NVRAM 32KB,。
2．1．2 外圍工作電路
外圍工作電路主要包括復(fù)位及看門狗電路,、離散量接口電路、RS232接口電路和DC／DC電路,，具體配置如下：a．復(fù)位及看門狗電路,，采用MAX706芯片實(shí)現(xiàn)，看門狗周期1s,；b．離散量接口電路,，3路輸入TTL離散量；c．RS232接口電路,，采用MAX232AESE芯片實(shí)現(xiàn)2路RS232接口,；d．DC／DC電路，采用2個(gè)LT1085芯片實(shí)現(xiàn)5V／2．5V和5W3．3V的電源轉(zhuǎn)換,。
2．1．3 PCI接口電路
CPU模塊的系統(tǒng)總線采用PCI總線,，PCI總線寬度為32位(地址／數(shù)據(jù)復(fù)用)，總線工作時(shí)鐘33MHz,，最大傳輸速度可達(dá)132Mb／s,。CPU模塊采用PCI9056芯片作為PCI總線接口，主從選擇為Host方式,，工作模式為C模式,。由于AM80486處理器應(yīng)用年代較早，無法直接與PCI接口芯片連接,，因此CPU模塊采用可編程邏輯連接AM80486局部總線和PCI9056,。
AM80486與PCI9056的交聯(lián)如圖3所示。AM80486的地址和數(shù)據(jù)可直接與PCI9056相連,。針對(duì)控制信號(hào),，在本系統(tǒng)中，CPU模塊是PCI總線上唯一的主設(shè)備,，在訪問PCI總線時(shí),，需對(duì)圖3中的控制信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合。
2．1．4 可編程邏輯電路
可編程邏輯電路是系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中的重點(diǎn),。由于模塊的小型化要求,，CPU模塊在設(shè)計(jì)可編程邏輯時(shí)將部分功能單元以IP核的形式集成到FPGA中，以提高系統(tǒng)集成度,。
CPU模塊的可編程邏輯采用采用一片XCV300芯片來實(shí)現(xiàn),，除了地址譯碼,、邏輯控制、時(shí)序控制,、總線超時(shí)以及PCI控制邏輯等功能外,，還使用IP核完成中斷控制器、定時(shí)／計(jì)數(shù)器和串行協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,?？删幊踢壿嬰娐返墓δ苁疽鈭D如圖4。
2．1．4．1 中斷控制器
可編程邏輯采用IP核實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有1路非屏蔽中斷和16路可屏蔽中斷的中斷控制器功能,。中斷的觸發(fā)方式(電平觸發(fā)／沿觸發(fā))和16路可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)軟件可調(diào),。系統(tǒng)控制器在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了1路非屏蔽中斷和11路可屏蔽中斷，剩余資源可根據(jù)用戶需求使用,。
2．1．4．2 定時(shí)／計(jì)數(shù)器
可編程邏輯采用IP核實(shí)現(xiàn)一個(gè)3路獨(dú)立的8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器功能,，其工作模式與MD8254的MODE2方式相同，每路定時(shí)器的輸出使能和計(jì)數(shù)頻率軟件可調(diào),。系統(tǒng)控制器在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了兩路定時(shí)器供操作系統(tǒng)使用,，剩余的1路留可根據(jù)用戶需求使用。
2．1．4．3 串行協(xié)議控制
可編程邏輯采用IP核實(shí)現(xiàn)2路RS232串行協(xié)議控制,，用戶可以通過軟件對(duì)串行接口的工作方式(查詢／中斷),、串行數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)位／起始位／停止位／奇偶校驗(yàn)等)和串行通信速率(9600-119200bps可調(diào)，默認(rèn)38400bps)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
CPU模塊使用VxWorks5．5操作系統(tǒng),，軟件開發(fā)環(huán)境為Tornado 2．2。VxWorks操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性,、可靠性,、可剪裁性、支持眾多的目標(biāo)機(jī),、系統(tǒng)的開放性,、豐富的環(huán)境工具和第三方支持等特點(diǎn)。VxWorks操作系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
CPU膜塊的軟件包括以下內(nèi)容：a．FLASH編程工具,；b．BIT測試程序；c．Vxworks操作系統(tǒng)：d．驅(qū)動(dòng)程序,；e．應(yīng)用程序,。
3 結(jié)束語
小型化的CPU模塊，已成功應(yīng)用在升級(jí)后的系統(tǒng)中,，取得了良好的成效,。除了總線傳輸速度提高(PCI總線最大傳輸速度可達(dá)132Mb／s)、使系統(tǒng)性能得到提升外，還具有以下特點(diǎn)：
(1)安裝方式靈活,，節(jié)約系統(tǒng)資源,。CPU模塊采用PMC板卡形式，占用空間小(面積下降33％),，可以方便地安裝在其它模塊上,，同時(shí)與典型的80486模塊相比，重量下降70％,、功耗下降15％,，節(jié)約了系統(tǒng)資源。
(2)配置靈活,，升級(jí)潛力大。CPU模塊在本設(shè)計(jì)中作為PCI總線控制器(Host)使用,，但是只要更改PCI9056的配置,，并且對(duì)可編程邏輯做相應(yīng)更改，即可作為PCI總線的主設(shè)備(Master)和從設(shè)備(Slave)使用,。由于采用了SoPC技術(shù)進(jìn)行可編程邏輯設(shè)計(jì),，CPU模塊上還有可利用的空間進(jìn)行功能擴(kuò)展(例如增加I2C電路和網(wǎng)絡(luò)接口)，同時(shí)只要提高處理器和PCI接口的工作頻率,，即可進(jìn)一步提高CPU模塊的性能,。
(3)通用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣泛,。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的PCI接口和PMC外形,，CPU模塊可以方便地配置在一個(gè)PCI總線系統(tǒng)中，并且具有可靈活配置的工作方式(Host／Master／Slave),。同時(shí)為現(xiàn)有采用80486處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的升級(jí),，提供了可借鑒的模型，具有廣泛的應(yīng)用前景,。