MPC850嵌入式通信開發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

　【摘　要】　介紹了基于PowerPC內(nèi)核的嵌入式通信控制器芯片MPC850，及一種開發(fā)MPC850通信功能的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。
??? 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，MPC850，硬件開發(fā)平臺(tái)

1　MPC850簡(jiǎn)介

　　Motorola公司的MPC850通信控制器芯片基于PowerPC內(nèi)核，以精簡(jiǎn)指令集計(jì)算RISC的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集成了32位微處理器和多種外設(shè)接口，具有強(qiáng)大的通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力，可廣泛應(yīng)用于各種通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如ADSL modem、SOHO路由器、低速ISDN、T1／E1終端、ATM線卡控制、局端交換、無線接入等。
　　MPC850的功能結(jié)構(gòu)主要包括：嵌入式PowerPC內(nèi)核，系統(tǒng)接口單元（System InterfaceUnit，SIU）和通信處理器模塊（Communications　Processor Module，CPM）。其體系結(jié)構(gòu)的框圖如圖1所示。

　　從圖中可以看出，通信處理器模塊CPM支持7個(gè)串行信道，包括：2個(gè)串行通信控制器SCC，2個(gè)串行管理控制器SMC，1個(gè)USB接口，1個(gè)I2C和1個(gè)串行外設(shè)接口SPI。因此，MPC850通過靈活的編程方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)Ethernet、USB、T1／E1等的支持，以及對(duì)IEEE802．3／Ethern－et、UART（同步／異步）、HDLC、Transparent、App－leTalk、IrDA等多種通信模式／協(xié)議的支持。
　　另外，MPC850還具有增強(qiáng)型在片仿真調(diào)試功能，功能齊全的接口單元，可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)編程的中斷控制等特征。本系統(tǒng)正是基于MPC850的這些特點(diǎn)來進(jìn)行通信開發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)的。

2　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)MPC850多功能通信開發(fā)平臺(tái)的底層，在硬件方面需要提供全面的通信接口、足夠的內(nèi)存容量、調(diào)試功能以及測(cè)試顯示功能。根據(jù)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要由CPU、存儲(chǔ)器、通信接口、調(diào)試以及測(cè)試顯示等幾部分組成。
　　CPU部分的設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)的硬件啟動(dòng)與復(fù)位、MPC850總線信號(hào)分配與定義等。存儲(chǔ)器部分包括SDRAM、FLASH ROM和E2PROM。通信接口部分提供了2個(gè)Ethernet接口、2個(gè)RS232接口、1個(gè)RS485接口、1個(gè)USB接口、ISDN用戶開發(fā)板接口以及ATM UTOPIA接口。另外，還提供了MPC850 BDM調(diào)試口以及測(cè)試口、LED顯示等。

3　系統(tǒng)的硬件啟動(dòng)與復(fù)位

　　MPC850的復(fù)位方式包括：上電復(fù)位、外部／內(nèi)部Hard Reset、外部／內(nèi)部Soft Reset、調(diào)試口的Hard Reset等。這些方式都由Reset控制器處理。本系統(tǒng)采用了上電復(fù)位和外部Hard Reset的方式。
　　上電復(fù)位的過程由芯片內(nèi)部完成，MPC850需要確認(rèn)信號(hào)，然后對(duì)MODCK〔1－2〕引腳信號(hào)進(jìn)行采樣，直到所有的內(nèi)部PLL（Phase－Locked Loop）進(jìn)入鎖定狀態(tài)，激活系統(tǒng)時(shí)鐘，最后，恢復(fù)為高電平。MPC850結(jié)束上電復(fù)位狀態(tài)后，鎖定內(nèi)部所有PLL，PowerPC內(nèi)核持續(xù)驅(qū)動(dòng)和信號(hào)，然后從數(shù)據(jù)總線上采樣系統(tǒng)配置信息。Core在有效時(shí)，也將聲明信號(hào)有效。MPC850在處理完畢所有的啟動(dòng)或復(fù)位過程后進(jìn)入正常的系統(tǒng)軟件初始化狀態(tài)，運(yùn)行上層程序。
　　MPC850在從數(shù)據(jù)總線上采樣硬件復(fù)位配置字信息的過程中，信號(hào)必須低電平有效；如果為高電平，系統(tǒng)就以內(nèi)部的默認(rèn)值作為硬件復(fù)位配置字。當(dāng)處于有效期間，Core以默認(rèn)值0x000000000作為配置字。

4　存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

　　MPC850中存儲(chǔ)器管理器負(fù)責(zé)控制管理GPCM和UPMs兩種存儲(chǔ)器控制機(jī)制，針對(duì)不同的存儲(chǔ)器提供靈活的時(shí)序支持和無縫連接。其中，GPCM提供了一種簡(jiǎn)單的、不支持突發(fā)方式的低層次的存儲(chǔ)器資源和內(nèi)存映射接口，因此，GPCM控制的內(nèi)存槽主要用于系統(tǒng)的啟動(dòng)和不支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)存取。而UPM方式支持突發(fā)方式，同時(shí)包括外部總線的地址復(fù)用、周期定時(shí)以及DRAM器件可編程的行列地址選通信號(hào)的產(chǎn)生，因此，UPM多用于支持高性能的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器。
　　在本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中，采用了1片Intel公司的FLASH ROM 28F320J5，2片SAMSUNG公司的SDRAM K4S281632B。其中，BANK0用于FLASH ROM，對(duì)應(yīng)于片選信號(hào)，內(nèi)存管理機(jī)制選擇GPCM，數(shù)據(jù)總線寬度為16－bit；BANK1用于SDRAM，對(duì)應(yīng)于片選信號(hào)，內(nèi)存管理機(jī)制選擇UPMA，數(shù)據(jù)總線寬度為32－bit。另外，使用了1片E2PROM 24C02來存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，接口用I2C總線。
　　FLASH ROM的容量設(shè)計(jì)為32Mbit，用來存放實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序。對(duì)BYTE＃（ByteEnable）管腳的設(shè)置，可以使28F320J5工作在×8或×16模式。
　　SDRAM的讀寫以及突發(fā)模式的時(shí)序控制通過對(duì)MPC850編程來實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘由
MPC850 信號(hào)提供。MPC850的字節(jié)選通信叫連接SDRAM的U（L）DQM管腳用來選擇字節(jié)通道。在地址復(fù)用方面，由于采用了2片K4S281632B，數(shù)據(jù)總線寬度增加為32bit，單個(gè)SDRAM的尋址空間為16MB，可列出其地址映射關(guān)系如表1所示。通過UPM寄存器AMx＝0b001，MPC850的地址線A9-A20被映射為A18-A29。在UPM寄存器MxMR中，通過編程確定A10MPC作為映射行地址的左邊界，連接至A10SDRAM，其它連接依照AMx復(fù)用關(guān)系。然后，依次將A8MPC與A7MPC作為二進(jìn)制編碼的塊選地址。 　　圖2是有關(guān)內(nèi)存的硬件設(shè)計(jì)示意圖。對(duì)于可能存在的用戶卡上的其他外部存儲(chǔ)器，本系統(tǒng)預(yù)留了若干片選信號(hào)。

5　各種通信接口的硬件設(shè)計(jì) 　　MPC850的通信處理器模塊CPM為多種通信環(huán)境提供了一個(gè)靈活、完整的解決方法。為降低系統(tǒng)頻率和節(jié)省功率，CPM擁有獨(dú)立的RISC通信處理器CP，以優(yōu)化各種串行通信。CP為若干集成的通信信道提供服務(wù)，執(zhí)行底層協(xié)議處理和控制DMA。
　　CPM通過以下途徑減少core的計(jì)算任務(wù)，包括：減少中斷產(chǎn)生率；執(zhí)行一些OSI第2層處理；支持多緩存存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。
　　在CPM功能基礎(chǔ)上，外圍通信電路只需提供物理層收發(fā)器和驅(qū)動(dòng)器。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Ethernet收發(fā)器采用Intel Level One公司的LXT905，RS232與RS485收發(fā)器分別采用MAXIM公司的MAX232與MAX488，USB收發(fā)器采用Philips公司的PDIUSBP11A。其中，2個(gè)Ethernet收發(fā)器分別使用與MPC850的SCC2、SCC3兩個(gè)串行通信控制器接口，2個(gè)RS232收發(fā)器分別使用與MPC850的SMC1、SMC2兩個(gè)串行管理控制器接口，RS485復(fù)用了SMC2接口，USB收發(fā)器使用與MPC850的USB接口。
　　由于LXT905本身提供了與MPC850的無縫接口能力，于是通過RJ45實(shí)現(xiàn)與外界的通信主要集中在協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)收發(fā)的控制上。其數(shù)據(jù)接口信號(hào)包括：
　　·RCLK與TCLK：接收與發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。由LXT905提供，連接到MPC850的時(shí)鐘信號(hào)CLKx。　　
????? ·RXD與TXD：接收與發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。由MPC850提供，連接到LXT905的RXD與TXD。
　　·TEN：發(fā)送使能信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)LXT905看門狗定時(shí)器。
　　·CD：載波監(jiān)聽信號(hào)，監(jiān)聽LAN是否正在使用。
　　·COL：沖突監(jiān)測(cè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制器的沖突監(jiān)測(cè)輸入。
??? 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ISDN端口總線使用了MPC850串行接口TDMa和SPI接口，用戶可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)自己的ISDN接入系統(tǒng)。其中，SPI接口提供了SPII／O數(shù)據(jù)信號(hào)SPIMOSI與SPIMISO、SPI時(shí)鐘信號(hào)SPICLK、SPI從設(shè)備選擇信號(hào)；TDMa接口提供的信號(hào)包括收發(fā)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、同步等。
　　MPC850的ATM控制器支持兩種接口模式：UTOPIA接口和串行ATM接口。本系統(tǒng)以支持ADSL收發(fā)器為目的，采用了目前ADSL收發(fā)器通常使用的ATM UTOPIA LEVEL1／LEVEL2接口。這種接口允許不同速率和性能的傳輸媒質(zhì)以一種統(tǒng)一的物理層接口到ATM子系統(tǒng)中，并且有利于向支持多用戶的ADSL局端設(shè)備擴(kuò)展。
　　一個(gè)UTOPIA接口包括收發(fā)數(shù)據(jù)端口、控制信號(hào)和地址信號(hào)。UTOPIALEVEL1和LEVEL2主要在地址信號(hào)的定義上有所不同。其中LEVEL1未定義地址信號(hào)，主要針對(duì)single－PHY的情況；LEVEL2針對(duì)multi－PHY的情況，比LEVEL1多了兩組地址信號(hào)。MPC850的UTOPIA接口支持LEVEL 1標(biāo)準(zhǔn)，加上外部控制邏輯即可實(shí)現(xiàn)LEVEL2的multi－PHY接口（最多支持4個(gè)物理層設(shè)備），因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兼容UTOPIALEVEL1／LEVEL2的接口電路，如圖3所示。關(guān)于調(diào)試與測(cè)試部分的敘述這里從略。 6　結(jié)束語

　　MPC850的多功能通信開發(fā)平臺(tái)在底層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選擇相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)，再進(jìn)行相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā)，通過所需接口與用戶各自的開發(fā)系統(tǒng)相連，最終可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種通信與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。 1　Motorola Inc．．MPC850 Integrated Communications Microprocessor User′s Manual．Motorola Inc．，1998
2　Wayne Wolf．嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，2