一種高集成度基于PCI總線的AM80486 CPU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章針對(duì)目前大多數(shù)采用80486處理器的模塊系統(tǒng)集成度偏低、總線傳輸速率較慢的缺點(diǎn)，提出了一種解決方案。該方案采用PCI總線提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，將部分功能單元以IP核(Intcllectual Property Core)的形式集成到FPGA中，使模塊具有很高的集成度，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證表明該方案合理可行，在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，具有集成度高、配置靈活、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AM80486處理器；IP核；小型化設(shè)計(jì)；高集成度

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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)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(jiǎn)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(jiǎn)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。

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    CPU模塊與典型80486模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異對(duì)比見(jiàn)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(wú)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(wèn)PCI總線時(shí)，需對(duì)圖3中的控制信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合。

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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(lái)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。可編程邏輯電路的功能示意圖如圖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(guò)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(yǔ)
    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。