基于MPC755的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MPC755是Freescale公司開發(fā)的PowerPC系列微處理器中具有卓越性能的G3代產(chǎn)品。本文介紹了以MPC755為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、主要芯片、地址空間分配、實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，以及系統(tǒng)的調(diào)試方法和啟動(dòng)過程。該嵌入式系統(tǒng)處理能力優(yōu)越，內(nèi)核最高處理能力可達(dá)733MIPS，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等。

伴隨著信息化時(shí)代的來臨，嵌入式系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對帶寬的需求越來越高，而新業(yè)務(wù)要求嵌入式系統(tǒng)具備更強(qiáng)的處理能力。本文以MPC755為核心，構(gòu)建了一個(gè)功能強(qiáng)大、高度模塊化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、具備高度可擴(kuò)展性的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等眾多場合。因?yàn)镸PC755具有并行執(zhí)行數(shù)條指令、簡單指令的快速執(zhí)行、流水線操作等優(yōu)點(diǎn)，所以該系統(tǒng)處理能力優(yōu)越，內(nèi)核最高處理能力可達(dá)733MIPS。通過主/PCI橋MPC107擴(kuò)展了多種通訊協(xié)議處理接口，符合多種RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如VxWorks、嵌入式Linux等)對其運(yùn)行平臺(tái)的要求。

圖1：MPC755結(jié)構(gòu)框圖。

MPC755處理器

MPC755是一種32位超標(biāo)量微處理器，遵循了PowerPC處理器架構(gòu)，有著與PowerPC完全相同的指令集。芯片集成了6個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元(2個(gè)整數(shù)單元、1個(gè)加載/存儲(chǔ)單元、1個(gè)雙精度浮點(diǎn)單元、1個(gè)系統(tǒng)寄存器單元和1個(gè)跳轉(zhuǎn)處理單元)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最多可以同時(shí)執(zhí)行6條指令。

MPC755內(nèi)嵌了獨(dú)立的32K字節(jié)指令和數(shù)據(jù)高速緩存，以及指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存管理單元(MMU)。L2 Cache(二級高速緩存)控制單元最大可外接1M字節(jié)SRAM，用作二級高速緩存。總線接口單元向外引出60X總線，可以外接具有60X總線的設(shè)備。當(dāng)內(nèi)核工作在400MHz時(shí)，性能高達(dá)733MIPS。MPC755還包含了一個(gè)性能監(jiān)視器、一個(gè)遵循IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試接口、以及溫度管理單元等(MPC755功能結(jié)構(gòu)見圖1)。

MPC755在引腳定義和軟件代碼上都向下兼容，核心電壓為2.0V，I/O電壓3.3V/1.8V可選。MPC755內(nèi)核的最高頻率是400MHz。系統(tǒng)時(shí)鐘通過SYSCLK0引腳輸入，經(jīng)過PLL電路倍頻，產(chǎn)生內(nèi)核時(shí)鐘，即主頻。引腳PLL_CFG[0:3]在系統(tǒng)上電時(shí)的配置值(本設(shè)計(jì)中是0b'1010) 決定了倍頻系數(shù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2是基于MPC755的嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)框圖。由圖可見，MPC755的接口擴(kuò)展主要依賴于主/PCI橋--MPC107。MPC755本身只外接了二級緩存，以提高系統(tǒng)性能。而其它接口都從MPC107引出，包括一個(gè)串口，一個(gè)10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口，I2C口等。串口和網(wǎng)口符合多種RTOS對運(yùn)行平臺(tái)的要求，且在硬件上滿足了嵌入式系統(tǒng)的兩種主要調(diào)試手段(串口調(diào)試和以太網(wǎng)調(diào)試)，應(yīng)用開發(fā)相當(dāng)容易。PMC槽使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的現(xiàn)場可擴(kuò)展性，可滿足不同的應(yīng)用需求。

圖2：基于MPC755的系統(tǒng)框圖。

1. MPC107

MPC107是Freescale公司開發(fā)的一種高性能、高帶寬的PCI橋接芯片。圖3顯示了MPC107的基本結(jié)構(gòu)。MPC107一側(cè)是60X總線接口，總線寬度32位/64位可選，最高頻率100MHz，另一側(cè)是PCI總線接口。芯片內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器控制器、DMA控制器、可編程中斷控制器、4個(gè)定時(shí)器、I2C控制器、消息單元(I₂O)、PCI仲裁器、看門狗電路、動(dòng)態(tài)電源管理單元，PCI總線性能監(jiān)視單元、JTAG接口等。

存儲(chǔ)器控制器共有12個(gè)片選空間，其中8個(gè)RAM片選空間，CS[0:7]。每個(gè)片選空間的時(shí)序可編程，可支持FPM DRAM、EDO DRAM或SDRAM，最大可外接1GB RAM。另4個(gè)是ROM片選空間，RCS[0:3]，支持8位、32位、64位接口寬度，最大可外接144MB ROM。

2. 存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)在CS0空間中擴(kuò)展128MB的SDRAM，用5片256M位(16M(16位)SDRAM拼成，其中一片用作ECC，其余4片用作系統(tǒng)內(nèi)存。

Flash選用了Intel公司的28F016S3，2M字節(jié)。因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須從RCS0上的設(shè)備讀取啟動(dòng)代碼，因此，F(xiàn)lash的片選連接到RCS0上。

At24C04是512字節(jié)的EEPROM，通過I2C總線連接到MPC107，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)信息，例如，產(chǎn)品名稱、版本號、網(wǎng)口的物理地址等。

圖3：MPC107結(jié)構(gòu)框圖。

二級高速緩存選用了IDT公司的IDT71V35761，每片128K(36位，共2片，組合成128K×72位，其中64位是數(shù)據(jù)線，另外8位是校驗(yàn)信號。芯片的最高頻率為200MHz。二級高速緩存的使用極大地提高了系統(tǒng)性能，使MPC755如虎添翼。

3. 串口

TL16C550是RS-232串口控制芯片，接在RCS1空間，MAX3221是電平轉(zhuǎn)換芯片。串口的工作模式由軟件決定，既可工作于中斷模式，也可工作于輪詢模式。在調(diào)試的時(shí)候，串口用于輸出調(diào)試信息和接收外部命令。在實(shí)際應(yīng)用中，串口可以作為系統(tǒng)和用戶的交流窗口，用戶通過串口來掌握或改變系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4. PCI設(shè)備

本系統(tǒng)中，PCI采用MPC107內(nèi)部仲裁器，總線工作于33MHz。系統(tǒng)的網(wǎng)口芯片選用了Intel82559，這是一款具有PCI接口的，將物理層和鏈路層集成在一起的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口芯片，可減少電路板空間和走線數(shù)量。變壓器選用了Pulse公司的H1012。網(wǎng)口可工作于全雙工或者半雙工模式。

另外，PCI1410A是連接PCI總線和CF卡的一種接口芯片。CF卡具有攜帶方便、易于升級、存儲(chǔ)量大、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，CF卡主要用于保存應(yīng)用軟件、用戶數(shù)據(jù)備份等。而且，在今后的系統(tǒng)維護(hù)和軟件升級中，技術(shù)人員只需要更換CF卡或者升級CF卡中的軟件，十分方便。設(shè)計(jì)選用了SanDisk公司的型號為SDCFB-64-101的CF卡，64M字節(jié)容量，幾何尺寸為36.4mm×42.8mm×3mm。

表1：地址空間分配。

PMC插槽用于擴(kuò)展PCI插卡，增加系統(tǒng)功能。例如，如果系統(tǒng)需要增加一個(gè)網(wǎng)口，只要在PMC槽上插入一塊具有PMC接口的網(wǎng)卡就可以了。

5. 時(shí)鐘

M41T81是ST公司生產(chǎn)的一款時(shí)鐘芯片。在本設(shè)計(jì)中，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，因?yàn)樵陔娦?、網(wǎng)絡(luò)等許多應(yīng)用場合，系統(tǒng)必須提供時(shí)間信息。M41T81具有I2C接口，兩種供電模式：在系統(tǒng)上電時(shí)，由電路板上的3.3V電源供電；系統(tǒng)斷電時(shí)，自動(dòng)切換到外接電池供電。電池供電時(shí)的電流很小，僅為1(A。

地址空間分配

在PCI主設(shè)備模式下，MPC107支持兩種地址空間分配方案：Map A和Map B。在PCI從設(shè)備模式下，MPC107只支持Map B。選擇哪種地址分配方案是由上電啟動(dòng)時(shí)，引腳SDBA0的高低來決定的，如果為高，則選用Map B，否則，選用Map A。在本系統(tǒng)中，MPC107工作于PCI主設(shè)備模式，選用了Map B地址空間分配方案。

在Map B地址空間分配方案中，整個(gè)32位(4G)地址空間被分為4大塊：本地存儲(chǔ)空間、PCI存儲(chǔ)空間、PCI I/O空間、系統(tǒng)ROM空間。如表1所示。

在本系統(tǒng)中，128MB SDRAM的基地址是0000_0000，2MB Flash的基地址是FFE0_0000，串口控制芯片TL16C550的基地址是：7C00_0000，64M CF卡的訪問地址是8000_0000。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵

1. 時(shí)鐘

時(shí)鐘信號是本設(shè)計(jì)的一大關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)時(shí)鐘輸入：OSC_IN，33MHz，輸入到MPC107，經(jīng)過MPC107的FO緩存產(chǎn)生5個(gè)同步的PCI時(shí)鐘信號，其中3個(gè)PCI時(shí)鐘輸送給PCI設(shè)備，1個(gè)保留，另一個(gè)PCI時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘(PCISYNC_OUT)，輸送到PLL和DLL(延時(shí)鎖相環(huán))模塊，經(jīng)過鎖相和倍頻，分別產(chǎn)生CPU時(shí)鐘(CPU_CLK0)、4個(gè)SDRAM(SDRAM_CLKx)時(shí)鐘、和一個(gè)回饋時(shí)鐘(SDRAM_SYNC)。CPU_CLK0輸送給MPC755。

表2：重要走線示意。

MPC107的DLL模塊類似于PLL，但是它能夠把一個(gè)時(shí)鐘周期分為128個(gè)離散的間隔。在PCB布線時(shí)，SDRAM時(shí)鐘的走線是等長的。DLL檢測SDRAM_SYNC時(shí)鐘從輸出到輸入的時(shí)延，這個(gè)時(shí)延就相當(dāng)于SDRAM_CLK的時(shí)延。通過調(diào)整SDRAM_SYNC時(shí)鐘的時(shí)延，可以方便地增加或者減少SDRAM_CLK時(shí)鐘的延遲。一般情況下，走線16.5cm相當(dāng)于時(shí)延1000ps。

本設(shè)計(jì)中，CPU_CLK0走線長度、SDRAM_SYNC的走線長度和SDRAM_CLK時(shí)鐘的走線長度三者相等。PCISYNC_OUT到PCISYNC_IN的走線長度和PCICLK的走線長度相等。

MPC755通過對CPU_CLK0時(shí)鐘倍頻，獲得內(nèi)核主頻。二級高速緩存的時(shí)鐘是由MPC755對內(nèi)核主頻分配所得，分頻系數(shù)由L2CR寄存器的L2CLK位決定，可以是1、1.5、2、2.5、3(本系統(tǒng)選擇了2.5)。一般的，分配系數(shù)的選擇要根據(jù)外部Cache的性能、MPC755的內(nèi)核工作頻率和DLL的調(diào)整能力決定。L2 Cache最小的工作頻率是80MHz。分頻后的時(shí)鐘經(jīng)過片內(nèi)的DLL電路調(diào)整，輸送到二級緩存。但是，L2SYNC_OUT作為反饋時(shí)鐘又輸入到L2SYNC_IN，返回路徑長度必須是L2CLK_OUTA走線長度的二分之一，這樣CPU就能夠保證輸入到L2 Cache的時(shí)鐘信號上升沿是和L2接口的時(shí)鐘信號上升沿對齊的。

2. 高速布線

MPC107的PLL外部電路必須盡可能地靠近MPC107。網(wǎng)口芯片82559和變壓器H1012之間的走線應(yīng)該盡可能短，網(wǎng)口的一對輸入信號和一對輸出信號采用差分走線。連接MPC755和二級高速緩存的數(shù)據(jù)線、地址線的長度盡可能相等，因?yàn)橐B接二片SRAM芯片，所以采用“Y”形走線方式。SDRAM、L2 Cache的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線也都需要特別注意。如表2所示，所有高速走線，包括PCI走線，都進(jìn)行了阻抗匹配控制。

系統(tǒng)啟動(dòng)過程和調(diào)試

表3：啟動(dòng)配置引腳及意義。

當(dāng)信號#HRESET為低電平時(shí)，MPC107就讀取配置引腳，以決定工作狀態(tài)。這些配置引腳是復(fù)用的，但是，在上電時(shí)，它們只扮作配置引腳。關(guān)鍵的幾個(gè)配置引腳的意義如表3。

系統(tǒng)的硬件調(diào)試借助了Windriver公司的EST7xx系列仿真器。仿真器一端連接PC機(jī)，另一端連接MPC755的JTAG接口，即使SDRAM等模塊工作不正常，仿真器也可以訪問MPC755和MPC107的內(nèi)部寄存器，幫助判斷SDRAM和其它器件的故障所在。

首先調(diào)試PowerPC內(nèi)核和外部SDRAM，一旦它們工作正常，就可以通過仿真器下載RTOS，來輔助硬件調(diào)試。為此，筆者選用了Windriver公司的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks及其集成開發(fā)工具Tornado。然后，調(diào)試串口，因?yàn)榇谙鄬唵巍Ｈ绻诠ぷ髡?，就可以脫離仿真器，利用Tornado提供的工具軟件，例如WDB，通過串口線建立電路板和PC機(jī)的通信機(jī)制，繼續(xù)調(diào)試其它模塊。調(diào)試的主要工作量是在MPC107，而不是MPC755。

調(diào)試結(jié)束后，將正確的啟動(dòng)代碼燒制到Flash中，VxWorks和應(yīng)用軟件燒制到CF卡。因?yàn)閱?dòng)時(shí)中斷入口的基地址為0xFFF00000，而PowerPC處理器啟動(dòng)的中斷向量偏移地址是0x100，所以啟動(dòng)代碼必須燒制在Flash的0xFFF00100地址。系統(tǒng)上電或者硬復(fù)位后，MPC755自動(dòng)從該地址讀取指令并執(zhí)行，步驟如下：

PowerPC內(nèi)核初始化；

關(guān)閉所有中斷；

初始化SDRAM；

初始化MPC755內(nèi)部的高速緩存；

初始化二級高速緩存

初始化PCI接口；

初始化CF卡；

從CF卡讀取VxWorks及應(yīng)用軟件到SDRAM中；

運(yùn)行VxWorks；

初始化串口；

初始化I2C，從AT24C04讀取MAC地址；

初始化網(wǎng)口；

打開中斷；

運(yùn)行應(yīng)用軟件。

Bootrom中最初一段程序采用PowerPC的匯編語言編寫，這部分程序完成了對系統(tǒng)的最基本的初始化，其中最重要的是PowerPC內(nèi)核和SDRAM，以便可以盡快使用SDRAM，從而在其后可以使用C語言編寫的程序進(jìn)行后繼初始化工作。