基于POWER PC的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

吳杰

【摘 要】數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)適合于車載、機(jī)載等惡劣環(huán)境下，運(yùn)行多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，完成信息層數(shù)據(jù)運(yùn)算，以及高性能圖形顯示等多種應(yīng)用。本文對于相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計具有參考意義。

【關(guān)鍵詞】POWER PC；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）08-0004-004

Design of data processing system based on POWER PC

WU Jie

（The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an 710068， China）

【Abstract】The data processing system is suitable for many applications，such as vehicle，airborne and other harsh environment，running multi task real-time operating system，complete data operation of information layer，and high performance graphics display. This paper has reference meaning for the design of related data processing system.

【Key words】POWER PC； Data processing

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用型越來越受到大家的關(guān)注。本文中的數(shù)據(jù)處理板核心處理芯片采用基于POWER PC架構(gòu)的MPC8548芯片，具有處理速度快，通用接口豐富、工作溫度范圍大的特點；軟件部分選用多任務(wù)實時操作系統(tǒng)VxWorks，可以同時完成數(shù)據(jù)運(yùn)算、高性能圖形顯示等多種工作，支持透明的底層硬件操作，實現(xiàn)軟件編寫與硬件設(shè)計分離，簡化了底層軟件設(shè)計，有很好的的擴(kuò)展性和移植性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中采用POWER PC作為核心處理芯片，實現(xiàn)多任務(wù)并行數(shù)據(jù)處理功能；CPU主控MPC8548為整個模塊數(shù)據(jù)處理中樞，處理外圍各種芯片采集的數(shù)據(jù)，并將必要的數(shù)據(jù)保存到非易失存儲器。系統(tǒng)將高性能 MPC8548與嵌入式顯示芯片SM722集成在一起，CPU通過PCI總線傳輸數(shù)據(jù)到顯卡，提供用戶交互界面；FPGA通過構(gòu)建寄存器和雙口RAM實現(xiàn)接口通信和時序控制等功能；DSP完成浮點運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的功能；話音電路完成話音編解碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)提供豐富的外部接口，包括串口（RS2232和RS422）、以太網(wǎng)接口、USB接口、LVDS總線接口以及VGA接口。系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片設(shè)計

本設(shè)計的POWER PC芯片選用Freescale公司的MPC8548處理器，該芯片是一款高性能、低功耗的32位RISC處理器。最高主頻超過800MHz，具有很強(qiáng)的定點和浮點計算能力。該處理器內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。

MPC8548處理器具有強(qiáng)大的e500 PowerPC內(nèi)核、512KB的二級緩存，使得處理器的性能與I/O系統(tǒng)輸入之間能夠協(xié)調(diào)匹配。除了具有高性能的e500內(nèi)核，MPC8548還具有1個64位、頻率為400MHz的DDR2 SDRAM存儲控制器、4個千兆以太網(wǎng)控制器、1個DUART、1個4通道的DMA控制器、1個本地總線控制器、2個I2C控制器和1個串行周邊接口 （SPI）。MPC8548還具有2個32位PCI控制器。MPC8548不僅擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，還具有很強(qiáng)的通信處理能力，可靠性高，抗惡劣環(huán)境能力好，特別適合對網(wǎng)絡(luò)性能要求較高及有多個接口的應(yīng)用場合。

2.2 外部存儲設(shè)計

利用MPC8548 PCI橋，通過Silicon Motion的Sil0680A擴(kuò)展出電子盤接口模塊，該芯片提供了PCI總線與IDE接口的橋接，它能接收來自PCI總線的命令去操作IDE接口，然后再通過SM223芯片接Flash芯片，實現(xiàn)板載8GB Flash空間。NAND FLASH芯片選用一片 K9WBG08U1M 芯片實現(xiàn)。

本處理系統(tǒng)的DDR內(nèi)存擴(kuò)展通過掛接 5片 MT47H64M16芯片實現(xiàn)。MPC8548內(nèi)部集成了 DDR2存儲控制器，可以直接進(jìn)行內(nèi)存單元的行列訪問和控制。每個內(nèi)存芯片有64M X 16bit的存儲空間，4片內(nèi)存芯片拼接成 64bit位數(shù)據(jù)總線，構(gòu)成512MByte的存儲空間；另一片內(nèi)存芯片實現(xiàn)ECC糾錯，提高數(shù)據(jù)存取的可靠性。

Nor FLASH 的擴(kuò)展由 Local BUS 接口上掛接存儲芯片實現(xiàn)。NOR FLASH 選用S29GL512P芯片，每片有512Mb的存儲空間，兩片組合成 128MByte 存儲空間。由于MPC8548的 Local BUS接口是地址數(shù)據(jù)復(fù)用，因此需要在local bus和flash芯片之間增加74LVT16373 器件完成地址數(shù)據(jù)信號鎖存，MPC8548的Local Address Latch Enable （LALE）信號完成鎖存使能控制，外部存儲擴(kuò)展如圖3所示。

2.3 以太網(wǎng)接口設(shè)計

以太網(wǎng)功能模塊的實現(xiàn)主要依賴于MPC8548自帶的以太網(wǎng)控制器來實現(xiàn)兩路百兆以太網(wǎng)接口，在外圍配備 Marvell 88E1145 的物理層芯片來實現(xiàn)10＼100 以太網(wǎng)接口。

2.4 串口設(shè)計

由于MPC8548只支持1路RS422串口，其他串口需要進(jìn)行擴(kuò)展，我們選擇了XR16L784芯片擴(kuò)展出1路RS422串口和2路RS232串口。

2.5 顯示模塊設(shè)計

顯示模塊使用Silicon Motion的Lynx3DM顯卡芯片（簡稱SM722），SM722通過PCI總線連接到CPU，SM722對外輸出一路VGA信號和一路LVDS信號。

SM722（Lynx 3DM8+ ）芯片集成128位 2D/3D行動繪圖引擎及8MB內(nèi)建內(nèi)存，能整合強(qiáng)化的多屏幕顯示及硬件加速的MPEG/DVD播放功能于單一基板中，為用戶提供了功能強(qiáng)大的圖形顯示系統(tǒng)。

2.6 USB接口設(shè)計

MPC8548沒有自帶USB接口模塊，在設(shè)計中使用PCI總線進(jìn)行擴(kuò)展，本系統(tǒng)采用了PHILIPS公司的ISP1561芯片擴(kuò)展出了四路USB接口，其中兩路用于外接USB鼠標(biāo)與鍵盤，另兩路留作USB接口。

2.8 FPGA設(shè)計

FPGA選用的是Xilinx公司目前主流的Virtex-4系列的LX40，大概等效400萬系統(tǒng)門，有較為充足的硬件資源自己的構(gòu)建寄存器和控制邏輯。利用FPGA的雙口RAM，F(xiàn)PGA與PowerPC采用EDMA方式進(jìn)行通信。FPGA與PowerPC采用I2C總線發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對秒脈沖信號的處理、記數(shù)、收發(fā)存儲等功能。FPGA與話音電路通過內(nèi)部寄存器完成數(shù)據(jù)傳輸。FPGA與外部設(shè)備通過高速LVDS總線進(jìn)行通信，最高速率可達(dá)600Mbps。

2.9 DSP設(shè)計

DSP選用32位高速浮點型處理器TMS320C6713，時鐘最高頻率為300MHz，其內(nèi)核采用超長指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)，單指令字長為32位，一個時鐘周期同時執(zhí)行 8 條指令，總字長達(dá)到256位，其最大處理能力可以達(dá)到2400MIPS。內(nèi)部分為 8 個功能單元，具有64 個 32bit 通用寄存器。具有功耗低、通用性好的特點。DSP的EMIF接口的 CE0 空間掛接 16MB SDRAM存儲數(shù)據(jù)； CE1 空間掛接 64MB FALSH 存儲程序； CE2 和 CE3 空間連接 FPGA，作為DSP與 FPGA之間的數(shù)據(jù)總線。DSP可以通過HPI接口從FPGA中動態(tài)加載程序 。 DSP 可以通過自身程序運(yùn)行或?qū)?PWRD 控制字方式進(jìn)入休眠狀態(tài)。休眠模式可以通過中斷喚醒，在FPGA中寫入一個喚醒指令，產(chǎn)生一個中斷信號送給 DSP。

2.10 話音電路設(shè)計

本系統(tǒng)的話音電路由2路模擬話音組成，每路包括話音模擬電路、A/D、 D/A、話音編解碼芯片。通過外部PTT信號實現(xiàn)發(fā)話控制。

2.11 復(fù)位電路設(shè)計

系統(tǒng)總共有上電復(fù)位、手動復(fù)位、軟件看門狗復(fù)位等三種復(fù)位方式。上電和掉電復(fù)位信號通過電源管理芯片產(chǎn)生；手動復(fù)位及外部復(fù)位均接入 CPLD， CPLD經(jīng)過內(nèi)部邏輯控制把復(fù)位信號送到 PowerPC、 DSP、 FPGA等芯片；CPLD 內(nèi)部實現(xiàn)軟件看門狗，結(jié)合PowerPC 芯片自帶的看門狗電路，實現(xiàn)可靠的看門狗復(fù)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個數(shù)據(jù)處理板的軟件主要由板級支持包（BSP）、VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核、系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、應(yīng)用程序四部分組成。首先在板級支持文件基礎(chǔ)上生成VxWorks操作系統(tǒng)映像（包含應(yīng)用程序模塊），系統(tǒng)上電啟動后，引導(dǎo)程序?qū)⑾到y(tǒng)引導(dǎo)代碼和 操作系統(tǒng)映像從Flash拷至SDRAM中，引導(dǎo)代碼執(zhí)行后跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像執(zhí)行。數(shù)據(jù)處理板既支持以太網(wǎng)口將生成的VxWorks映像下載到板上進(jìn)行調(diào)試，也支持將VxWorks映像固化到板上電子盤中，從FLASH上啟動運(yùn)行應(yīng)用程序。操作簡單，現(xiàn)場調(diào)試和軟件升級尤為方便。軟件框圖如4所示。

3.1 板級支持包

BSP是針對目標(biāo)系統(tǒng)所開發(fā)的啟動代碼和部分設(shè)備驅(qū)動程序的集合。最基本的BSP需支持處理機(jī)復(fù)位、初始化、驅(qū)動串口和必要的時鐘處理。BSP的主要功能在于配置系統(tǒng)硬件使其工作于正常的狀態(tài)，以及完成硬件與軟件之間的數(shù)據(jù)交互，為OS及上層應(yīng)用程序提供一個與硬件無關(guān)的軟件平臺。因此從執(zhí)行角度來說，其可以分為兩大部分：

目標(biāo)系統(tǒng)啟動時的硬件初始化及操作系統(tǒng)引導(dǎo)例程，它只在系統(tǒng)啟動過程中執(zhí)行一次；

目標(biāo)板上控制硬件運(yùn)行的設(shè)備驅(qū)動程序，由它來完成硬件與軟件之間的銜接。包含部分必要的設(shè)備驅(qū)動程序和相關(guān)設(shè)備的初始化操作。這部分可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行裁剪。

BSP在系統(tǒng)中的位置如圖5所示。

硬件初始化及操作系統(tǒng)引導(dǎo)具體是指從系統(tǒng)上電復(fù)位開始直到VxWorks開始初始化用戶應(yīng)用時（即系統(tǒng)執(zhí)行到usrAppInit函數(shù)處）的一段時間內(nèi)系統(tǒng)所執(zhí)行的過程。這個過程主要包括三個部分的工作。

CPU初始化：初始化CPU的內(nèi)部寄存器（如狀態(tài)寄存器、控制寄存器、高速緩存等）。

目標(biāo)機(jī)初始化：初始化控制芯片的寄存器（如BUS、DMA、DRAM）、I/O設(shè)備寄存器（驅(qū)動各設(shè)備），為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件環(huán)境的支持。

系統(tǒng)資源初始化：為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)的正常運(yùn)行做準(zhǔn)備，進(jìn)行資源初始化（如操作系統(tǒng)初始化、空間分配等）。

具體運(yùn)行過程為：

系統(tǒng)上電之后，首先調(diào)用romInit（）函數(shù)，禁止中斷，清除cache，設(shè)置堆棧啟動類型，初始化CPU基本寄存器，調(diào)用SDRAM初始化函數(shù)初始化，直接跳轉(zhuǎn)到romStart（）函數(shù)，把代碼段和數(shù)據(jù)段從bootrom復(fù)制到RAM中運(yùn)行，當(dāng)中完成程序映象的解壓縮跳轉(zhuǎn)到usrInit（）函數(shù)，執(zhí)行VxWorks中的C語言代碼。執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核所必須的初始化程序，完成Cache程序的初始化，系統(tǒng)的BSS段清零，初始化中斷向量表，最后進(jìn)入到用戶程序入口usrAppInit（），進(jìn)行應(yīng)用程序的運(yùn)行。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)BSP不是一個設(shè)備驅(qū)動程序，因為設(shè)備驅(qū)動程序能夠訪問硬件設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序、SCSI設(shè)備驅(qū)動程序），同時相同類型設(shè)備的驅(qū)動程序，可以不作修改從一個目標(biāo)環(huán)境中移植到另一個目標(biāo)環(huán)境中（例如網(wǎng)卡驅(qū)動程序）；而BSP則只能運(yùn)行在指定設(shè)備的硬件環(huán)境中。

就數(shù)據(jù)處理板來說，BSP除完成MPC8548的初始化外，還需完成以下設(shè)備的管理和驅(qū)動工作：

（1）SM722顯示驅(qū)動：SM722提供了圖形顯示功能，其內(nèi)部寄存器可通過映射到PCI尋址空間來進(jìn)行訪問。

（2）網(wǎng)絡(luò)的訪問驅(qū)動：對MPC8548的寄存器進(jìn)行配置，實現(xiàn)MPC8548的兩路網(wǎng)絡(luò)端口訪問。

（3）串口驅(qū)動：通過XR16L784實現(xiàn)了兩路RS232的發(fā)送與接收，并支持MPC8548通過中斷方式訪問XR16L784；由MPC8548的DUART口擴(kuò)展出一路RS422，通過中斷控制數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)UART的擴(kuò)展。

（4）USB的驅(qū)動：MPC8548通過PCI擴(kuò)展出的4路USB用于鼠標(biāo)鍵盤接口，支持USB熱拔插。利用SM722提供的硬件光標(biāo)功能，實現(xiàn)支持用戶可選的鼠標(biāo)形狀。

（5）電子盤驅(qū)動：MPC8548主板采用通過PCI轉(zhuǎn)IDE芯片SIL0680外接IDE電子盤，電子盤驅(qū)動模塊主要完成了SIL0680芯片的驅(qū)動，實現(xiàn)了SIL0680寄存器設(shè)置，配置了SIL0680的PCI地址空間，并完成電子盤文件系統(tǒng)的初始化，將電子盤配置為dosFs文件格式，通過ATA的PIO或DMA訪問方式訪問電子盤。

3.2 VxWorks操作系統(tǒng)

VxWorks 是美國Wind River System 公司推出的一個嵌入式實時操作系統(tǒng)。具有良好的移植性、擴(kuò)展性和通用性。首先，該系統(tǒng)十分靈活，具有功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)；其次，該系統(tǒng)可裁減性強(qiáng)，用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都要用到，可以根據(jù)需要進(jìn)行裁剪；再次，該系統(tǒng)可靠性很高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天、通信等領(lǐng)域，成為實際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)上所用的VxWorks5.5.1是在風(fēng)河提供的集成開發(fā)環(huán)境Tornado2.2.1下編譯生成的。

4 典型應(yīng)用實例

本文中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有多任務(wù)處理能力強(qiáng)，處理延時小的特點，可以作為各種通信設(shè)備、信息處理設(shè)備的核心處理單元，這里以某型高速信息處理計算機(jī)（簡稱信息處理機(jī)）為例。

信息處理機(jī)主要完成負(fù)責(zé)消息協(xié)議轉(zhuǎn)換和處理、設(shè)備參數(shù)控制、消息統(tǒng)計和監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能，由POWER PC數(shù)據(jù)處理板、時統(tǒng)處理板、底板和顯控模塊構(gòu)成。設(shè)備組成如圖6所示。數(shù)據(jù)處理板和時統(tǒng)處理板通過底板互聯(lián)，數(shù)據(jù)處理板輸出LVDS顯示信號到顯控模塊，電源模塊為整個設(shè)備供電。顯控程序使用windml庫開發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)處理板的操作系統(tǒng)啟動正常后加載顯控模塊進(jìn)行顯示。多任務(wù)處理的應(yīng)用程序通過VxWorks的任務(wù)調(diào)度函數(shù)調(diào)配運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行界面和顯控界面如圖7和圖8所示。經(jīng)測試，使用數(shù)據(jù)處理板的信息處理機(jī)的信息處理時延小于1ms，信息處理能力大于每秒500條。

5 結(jié)束語

基于MPC8548的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、接口擴(kuò)展性強(qiáng)、軟件移植性好的特點，得到了廣泛的應(yīng)用。本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已應(yīng)用于多型設(shè)備中，性能穩(wěn)定可靠，滿足各種復(fù)雜場景的使用要求，也為其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Freescale Semiconductor.MPC8548 PowerQUICCTMIII Integrated Processor Family Reference Manual[M].MPC8548ERM Datasheet. East Kilbride，USA：Freescale Semiconductor Inc，2007：1035-1222.

[2]王彥剛，呂遵明，萬留進(jìn).VxWorks系統(tǒng)的BSP設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（12）91-94.

[3]趙愛君.DDR SDRAM原理介紹及其MPC8548 DDR2控制器參數(shù)配置[A].2010中國儀器儀表學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)大會（論文集2）[C].2010.