基于MPC8270的多總線處理器模塊設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了一款基于MPC8270的PowerPC處理器模塊設(shè)計(jì)方法，以目前應(yīng)用廣泛的RISC微處理器MPC8270作為核心處理器，以FPGA為控制核心電路，實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)、USB 2.0、RS422和CPCI多種總線功能，提供日歷時(shí)鐘功能，采用VxWorks作為操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：PowerPC；FPGA；CPCI；RISC

中圖分類號(hào)：TP332

Freescale公司的MPC8270系列PowerPC處理器，是一款多功能通信處理器，集成了PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊內(nèi)核。通信處理模塊部分包含了多種外部接口，支持多種常用底層傳輸協(xié)議，通過(guò)靈活設(shè)置外圍通信模塊可實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用中的多種總線。

基于MPC8270處理器設(shè)計(jì)的多總線處理器模塊，應(yīng)用于某健康管理計(jì)算機(jī)中，集成百兆以太網(wǎng)、USB 2.0、RS422和CPCI多種接口，提供日歷時(shí)鐘功能，同時(shí)具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，處理器主頻達(dá)到450MHz，整體功耗不大于7W。由于其具備了豐富的總線接口和較高的處理運(yùn)算能力，可在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1，虛線框內(nèi)為模塊各功能電路，主要包括：處理器及周邊電路、電源轉(zhuǎn)換電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和外圍接口電路。

圖1 模塊系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器及周邊電路

2.1.1 處理器。處理器的核心功能是負(fù)責(zé)指令執(zhí)行、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理等，處理器的正確選擇對(duì)于整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)具有極大的幫助，最大限度利用處理器集成的功能接口，可有效簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)的難度。

本設(shè)計(jì)采用MPC8270作為處理器，該處理器特性為：雙處理器內(nèi)核，包括一個(gè)嵌入式PowerPC 603e內(nèi)核和一個(gè)通信處理模塊（CPM）；16kB指令cache，16kB 數(shù)據(jù)cache；雙地址總線，包括32bit Local Bus和64位60X Bus，總線時(shí)鐘最大支持100MHz；64bit SDRAM內(nèi)存控制器，32bit 33/66MHz PCI總線，支持主從模式；支持3個(gè)FCC接口；支持4個(gè)SCC接口；低功耗，典型功耗為2.0W，最大功耗2.3W。

MPC8270處理器由主內(nèi)核、SIU、CPM等3個(gè)主要功能模塊組成，如圖2所示。MPC8270 的處理器主內(nèi)核稱為G2_LE，它是一種PowerPC架構(gòu)的多級(jí)流水線超標(biāo)量處理器。MPC8270內(nèi)核運(yùn)行頻率為166-450MHz。SIU模塊主要負(fù)責(zé)60x總線控制、PCI橋及時(shí)鐘產(chǎn)生。CPM模塊負(fù)責(zé)處理通信事務(wù)，即處理SCC、SMC、FCC、MCC、USB、SPI、I2C等通信控制單元收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 MPC270構(gòu)架圖

2.1.2 存儲(chǔ)器。模塊上設(shè)計(jì)有SDRAM存儲(chǔ)器、系統(tǒng)FLASH存儲(chǔ)器、用戶程序FLASH存儲(chǔ)器和用戶數(shù)據(jù)FLASH存儲(chǔ)器。

（1）SDRAM存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中，SDRAM用于存放操作系統(tǒng)臨時(shí)數(shù)據(jù)以及應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和代碼，為程序的運(yùn)行和保存臨時(shí)文件提供空間。SDRAM的管理由MPC8270的SDRAM控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。MPC8270的SDRAM可配置為16bit、32bit和64bit，本設(shè)計(jì)中配置為64bit。容量為128MB，總線時(shí)鐘設(shè)計(jì)為100MHz。由于SDRAM時(shí)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(zhǎng)度、布線路徑、阻抗匹配、線長(zhǎng)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(guò)仿真對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)行分析，確保電路的可行性。

（2）系統(tǒng)FLASH存儲(chǔ)器。系統(tǒng)FLASH地址空間分配為0xFE000000～0xFFFFFFFF，容量為32MB，用于模塊系統(tǒng)的啟動(dòng)。系統(tǒng)FLASH上駐留啟動(dòng)引導(dǎo)程序、上電BIT測(cè)試程序、FLASH在板編程程序及操作系統(tǒng)。

（3）用戶程序FLASH存儲(chǔ)器。用戶程序FLASH地址空間分配為0xFC000000～0xFDFFFFFF，容量為32MB，該FLASH空間用于駐留用戶的應(yīng)用程序，模塊啟動(dòng)后，根據(jù)離散量狀態(tài)判斷模塊處于調(diào)試狀態(tài)還是工作狀態(tài)，如果處于工作狀態(tài)，將從該空間開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序。

（4）用戶數(shù)據(jù)FLASH存儲(chǔ)器。用戶數(shù)據(jù)FLASH地址空間分配為0xFA000000～0xFBFFFFFF，容量為32MB，該FLASH空間用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的重要信息，如：BIT自檢結(jié)果信息、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)記錄、外部關(guān)鍵數(shù)據(jù)等，該空間支持FAT32格式的文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于下載分析。

2.1.3 FPGA。FPGA主要負(fù)責(zé)模塊的復(fù)位、中斷管理和相關(guān)接口的時(shí)序和邏輯控制。本設(shè)計(jì)采用Xilinx的Virtex2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(hào)、鎖相環(huán)等。本設(shè)計(jì)中選用的FPGA有100萬(wàn)門，432個(gè)IO管腳，接口電壓3.3V，兼容5V TTL電平，滿足功能需求。使用FPGA的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以不斷地完善程序，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線編程。

2.1.4 看門狗復(fù)位電路。模塊具有看門狗功能，當(dāng)看門狗功能失效后，將產(chǎn)生看門狗中斷，看門狗功能上電默認(rèn)為禁止。在FPGA內(nèi)部設(shè)置看門狗使能寄存器，可以通過(guò)軟件使能或禁止看門狗，看門狗定時(shí)器報(bào)警后產(chǎn)生中斷?？撮T狗定時(shí)周期由硬件設(shè)置。

模塊硬件復(fù)位包括兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位：當(dāng)5V電壓低于4.4V時(shí)，模塊處于復(fù)位狀態(tài)，5V電壓高于4.4V后，產(chǎn)生大于200ms的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位模塊整個(gè)硬件；手動(dòng)復(fù)位：由外部手動(dòng)復(fù)位按鍵輸入引起，外部輸入一個(gè)低電平信號(hào)后，將產(chǎn)生大于200ms復(fù)位信號(hào)，復(fù)位整個(gè)模塊硬件。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路

電源在PowerPC模塊設(shè)計(jì)中非常重要，好的電源設(shè)計(jì)才能保證模塊正常穩(wěn)定地工作，如果出現(xiàn)電源紋波過(guò)大或抖動(dòng)的情況，均可能導(dǎo)致模塊的工作出現(xiàn)異常。模塊上有4種電源：除外部輸入的供電電源5V外，其余電源：MPC8270的內(nèi)核電壓1.5V，F(xiàn)PGA內(nèi)核電壓2.5V和其余芯片I/O電壓3.3V均需要通過(guò)5V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

本模塊采用LTC公司的DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)供電電源5V到1.5V、2.5V和3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，該電源轉(zhuǎn)換芯片可設(shè)置為單路輸出或雙路輸出，單路最大輸出電流16A，雙路輸出每路最大輸出電流8A，本設(shè)計(jì)中3.3V電源采用單端輸出，1.5V和2.5V采用雙路輸出。采用該電源模塊，能夠顯著地簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)工作。它具有很多優(yōu)秀的特點(diǎn)：高功率、高效率、尺寸小、重量輕、散熱性能好等。

在電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出端放置容值為22uF、47uF和100uF的磁介質(zhì)電容各一個(gè)，可有效抑制電源輸出的紋波，使整個(gè)模塊的供電電源品質(zhì)得到提高。

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

模塊有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可提供年月日時(shí)分秒的計(jì)時(shí)功能，下電后可保持時(shí)間信息，計(jì)時(shí)功能采用DALLAS公司的專用計(jì)時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)接口為I2C接口，MPC8270自帶I2C接口，可和計(jì)時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)直接連接。模塊下電后，計(jì)時(shí)芯片的電源由鋰電池提供，選用的鋰電池可提供芯片3年左右的供電。

2.4 外圍接口電路

2.4.1 串行接口。串口的采用使本模塊更具通用性，可以和具有相同類型串口的設(shè)備進(jìn)行通信。本模塊提供1路RS232串行接口，用于與開(kāi)發(fā)平臺(tái)的通訊，提供4路RS422串口，用于和外部接口板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RS232串行接口采用MPC8270自帶串行接口SCC實(shí)現(xiàn)，RS422串口通過(guò)TI公司的UART通訊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，1個(gè)芯片可實(shí)現(xiàn)4路串口控制器，每路控制器帶有16字節(jié)的FIFO和半雙工控制，最大傳輸速率1Mbps。

2.4.2 百兆以太網(wǎng)接口。MPC8270處理器具有3個(gè)FCC控制器，每個(gè)FCC控制器均支持10/100 Mbps Ethernet/IEEE 802.3x，因此，采用MPC8270本身的FCC控制器，外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器和隔離變壓器，即可實(shí)現(xiàn)3路百兆以太網(wǎng)的功能。

2.4.3 USB2.0接口。USB接口用于記錄健康監(jiān)控的信息，由于信息量較大，需要記錄的接口有較快的訪問(wèn)能力，外部存儲(chǔ)空間需要有較大的容量。因此，采用USB接口可滿足這些要求，本設(shè)計(jì)中采用USB2.0接口，最大可達(dá)到400Mbps的數(shù)據(jù)峰值傳輸能力，外接大容量電子盤，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)中USB控制器由PHILIP公司的USB芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片為PCI接口，可與MPC8270的PCI接口實(shí)現(xiàn)直接連接，USB控制器到USB設(shè)備之間設(shè)計(jì)有電源控制和保護(hù)電路，對(duì)USB設(shè)備和電路本身提供一定的保護(hù)功能，該部分電路示意圖如圖3所示：

圖3 USB控制電路示意圖

2.4.4 CPCI總線接口。Compact PCI簡(jiǎn)稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國(guó)際PICMG協(xié)會(huì)于1994年提出的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。Compact PCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改造而成， 與PCI總線的電氣規(guī)范相兼容，并與高性能連接器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 具有抗震性能好、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，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)，可以構(gòu)建高可靠性系統(tǒng)，滿足數(shù)字通信、軍事裝備等各領(lǐng)域的要求。本設(shè)計(jì)遵從Eurocard工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)3U板尺寸，模塊連接器共有2個(gè)插座：J1、J2。J1管腳信號(hào)為CPCI規(guī)范信號(hào)，J2為自定義信號(hào)插座。

本設(shè)計(jì)中用PLX公司的PCI-to-PCI橋芯片實(shí)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，采用32bitPCI設(shè)計(jì)，該芯片連接CPCI設(shè)備不需要額外的驅(qū)動(dòng)電路和邏輯，配置為“透明”工作方式后，可和模塊內(nèi)部PCI信號(hào)直接連接。

3 軟件配置

模塊移植了VxWorks操作系統(tǒng)，VxWorks是由美國(guó)風(fēng)河公司開(kāi)發(fā)的一套高可靠性、可剪裁的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng). 它具有高度可剪裁的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、高效的多任務(wù)調(diào)度、靈活的任務(wù)間通信手段和快速靈活的I/O系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)很多設(shè)備提供支持，且設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間功能明確、接口規(guī)范，是全世界范圍內(nèi)廣泛使用的操作系統(tǒng)。

模塊的底層軟件由兩個(gè)部分組成：引導(dǎo)程序和VxWorks操作系統(tǒng)映像。模塊上電后先啟動(dòng)引導(dǎo)程序，將引導(dǎo)程序從Flash加載到SDRAM中，引導(dǎo)程序執(zhí)行后跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像執(zhí)行。模塊采用網(wǎng)口加載VxWorks映像，方便調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

引導(dǎo)程序固化在模塊的系統(tǒng)Flash上，作用是將模塊的最小系統(tǒng)啟動(dòng)起來(lái)，以完成加載和執(zhí)行VxWorks映像的目的。引導(dǎo)程序相對(duì)于VxWorks映像來(lái)說(shuō)功能比較簡(jiǎn)單，大小易于控制。引導(dǎo)程序成功運(yùn)行后，啟動(dòng)了保護(hù)模式和文件系統(tǒng)支持，驅(qū)動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)、串口等輔助設(shè)備，消除了硬件環(huán)境對(duì)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(yǔ)

基于MPC8270設(shè)計(jì)的多總線處理器模塊，實(shí)現(xiàn)了多種總線接口功能的集成，軟件移植了VxWorks操作系統(tǒng)，具有高可靠性、穩(wěn)定性、高運(yùn)算性能、低功耗的特點(diǎn)，由于采用了通用的CPCI總線接口，能方便實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中其他擴(kuò)展板卡如數(shù)據(jù)采集卡、顯卡、電子盤等的控制、管理及信息交換，提高系統(tǒng)性能。在數(shù)據(jù)處理、總線控制和信息交換等多個(gè)領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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Wind River Systems Inc，2002.

作者簡(jiǎn)介：王愛(ài)林（1980-），男，四川南充人，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。

作者單位：航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710119