基于CPCI總線的PowerPC主處理板設(shè)計

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　　Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線標準，近年來應(yīng)用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線PCI發(fā)展而來，既有PCI總線的高帶寬、高性能、即插即用、價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性。CPCI總線在33MHz時鐘、32位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達到峰值132MB/s的帶寬，在66MHz時鐘、64位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達到峰值528MB/s的帶寬。

　　PowerPC是1993年IBM、Apple和Motorola公司(其半導體部門現(xiàn)在分拆為Freescale公司)聯(lián)盟共同設(shè)計的。PowerPC技術(shù)以RISC(精簡指令集計算機)為基礎(chǔ)，該技術(shù)由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強RISC)體系結(jié)構(gòu)而來。PowerPC中的PC代表Performance Computing，PowerPC即超強的高性能計算處理器。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特點，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

　　介紹了嵌入式系統(tǒng)中使用的基于CPCI總線的PowerPC主處理板的設(shè)計方法，以目前廣泛應(yīng)用的G4系列RISC微處理器MPC7410作為核心處理器，以PC107作為控制器，PCI6150作為PCI-to-PCI橋，加上FPGA控制電路構(gòu)成硬件平臺，并移植VxWorks作為操作系統(tǒng)。提供多種標準接口，支持擴展功能，性能穩(wěn)定可靠。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　主處理板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。主要由四部分組成：電源轉(zhuǎn)換功能模塊、PowerPC功能模塊、外圍接口(RS232串口、以太網(wǎng)口及PMC擴展接口)功能模塊、CPCI總線(PCI-to-PCI橋)功能模塊。

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　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 電源轉(zhuǎn)換功能模塊

　　電源設(shè)計在整個硬件設(shè)計中非常重要，好的電源設(shè)計才能保證主處理板正常穩(wěn)定的工作。硬件上設(shè)計有4種電源：主供電電源5V(由外部提供)，PowerPC7410內(nèi)核電壓1.8V，橋接芯片PC107內(nèi)核電壓2.5V，各芯片I/O電壓3.3V。

　　采用LINEAR公司的DC/DC開關(guān)電源模塊實現(xiàn)主供電電源5V到1.8V、2.5V和3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，每路最大輸出電流10A。該DC/DC電源模塊代表了一種面向負載點電源的新型架構(gòu)，它顯著地簡化了電源設(shè)計工作。它具有很多優(yōu)秀的特點：高功率、高效率、尺寸小、重量輕、散熱性能好等，除此之外，它還具有的一項獨特性能是其無時鐘延遲電流模式，從而令其能夠?qū)ω撦d電流的快速變化迅速做出響應(yīng)。

　　2.2 PowerPC功能模塊

　　2.2.1 處理器

　　處理器采用飛思卡爾公司的PowerPC處理器MPC7410。主處理器通過橋接器MPC107訪問板內(nèi)資源。

　　MPC7410是G4系列的高性能處理器，G4在G3的基礎(chǔ)上在性能上有很大提高，主要表現(xiàn)在支持對稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)和引入了一流的Alti-Vec技術(shù)來處理矢量運算。AltiVec技術(shù)是一個128位的SIMD矢量處理引擎，為第四代PowerPC提供了卓越的處理性能，使其數(shù)據(jù)處理能力有了數(shù)量級的提升。

　　MPC7410內(nèi)部主頻最高為500MHz，每個時鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，其中包括4條矢量運算(AltiVec)指令和2條整型指令。通過加入AltiVec技術(shù)，處理能力達到了4G FLOPS。而1.8V的低電壓操作大大降低了芯片的功耗，容易散熱，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　MPC7410提供了兩種總線模式：60X總線模式和MPX總線模式，不同的總線定義的信號也有所不同?？偩€的選擇，可通過MPC7410的EMODE信號來選擇，當EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r也為高電平，則選擇了60X總線。反之，當EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r為低電平，則選擇了MPX總線。由于60X總線具有優(yōu)秀的連接性能和高數(shù)據(jù)傳輸速率，在本設(shè)計中采用60X總線作為MPC7410和芯片組的連接。

　　此外，還可通過對MPC7410的PLL信號設(shè)置產(chǎn)生不同的內(nèi)核頻率，本設(shè)計中處理器的外部頻率為100MHz，采用5倍的頻率系數(shù)，即處理器主頻為500MHz。

　　2.2.2 L2 Cache

　　MPC7410處理器支持L2 Cache，內(nèi)部集成了L2Cache接口控制器，提供L2 Cache接口的總線時序控制電路，通過處理器內(nèi)部L2 Cache控制器可以訪問Cache存儲器。主處理板上實現(xiàn)了總?cè)萘繛?MByte的L2 Cache，數(shù)據(jù)寬度為72位，其中8位為校驗位，64位為數(shù)據(jù)位。

　　2.2.3 橋接器

　　橋接器PC107是為PowerPC專門設(shè)計的橋芯片/存儲器控制器，主要實現(xiàn)PowerPC到PCI的橋接功能，同時管理memory，可以運行在高達133MHz的處理器總線頻率。PC107提供其他嵌入式應(yīng)用必需的功能：處理器總線接口、PCI總線接口、存儲器控制器、智能輸入/輸出信息控制器、I2C控制器、嵌入式可編程中斷控制器(EPIC)、雙通道集成DMA控制器、時鐘控制部分等。根據(jù)在電路中所起的作用不同，PC107的工作方式可分為host mode和agent mode兩種。在host mode模式中，由PC107管理存儲器和PCI總線部分，PowerPC為整個系統(tǒng)的主CPU。在agent mode模式中，PC107用于和PCI主橋通信，PowerPC作為一個PCI設(shè)備，受PCI主橋的管理。本設(shè)計中PC107的工作方式為host mode。