摘要：介紹了嵌入式系統中使用的基于CPCI總線的PowerPC主處理板的設計方法，以目前廣泛應用的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控制電路構成硬件平臺，并移植VxWorks作為操作系統。提供多種標準接口，支持擴展功能，性能穩定可靠。
0 引言
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業計算機制造商組織”推出的一種工業計算機總線標準，近年來應用發展最為迅速。它由PC機上的通用總線PCI發展而來，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位數據寬度的條件下可達到峰值132MB/s的帶寬，在66MHz時鐘、64位數據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(其半導體部門現在分拆為Freescale公司)聯盟共同設計的。PowerPC技術以RISC(精簡指令集計算機)為基礎，該技術由IBM的POWER(性能優化的增強RISC)體系結構而來。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，主要應用于嵌入式系統。
1 系統結構
主處理板的系統結構框圖見圖1。主要由四部分組成：電源轉換功能模塊、PowerPC功能模塊、外圍接口(RS232串口、以太網口及PMC擴展接口)功能模塊、CPCI總線(PCI-to-PCI橋)功能模塊。
2 硬件設計
2.1 電源轉換功能模塊
電源設計在整個硬件設計中非常重要，好的電源設計才能保證主處理板正常穩定的工作。硬件上設計有4種電源：主供電電源5V(由外部提供)，PowerPC7410內核電壓1.8V，橋接芯片PC107內核電壓2.5V，各芯片I/O電壓3.3V。
采用LINEAR公司的DC/DC開關電源模塊實現主供電電源5V到1.8V、2.5V和3.3V的電壓轉換，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，它顯著地簡化了電源設計工作。它具有很多優秀的特點：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，從而令其能夠對負載電流的快速變化迅速做出響應。
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訪問板內資源。
MPC7410是G4系列的高性能處理器，G4在G3的基礎上在性能上有很大提高，主要表現在支持對稱多處理器(SMP)結構和引入了一流的Alti-Vec技術來處理矢量運算。AltiVec技術是一個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，使其數據處理能力有了數量級的提升。
MPC7410內部主頻最高為500MHz，每個時鐘周期最多可以執行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，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的穩定性。
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。總線的選擇，可通過MPC7410的EMODE信號來選擇，當EMODE信號在HRESET信號變為高電平時也為高電平，則選擇了60X總線。反之，當EMODE信號在HRESET信號變為高電平時為低電平，則選擇了MPX總線。由于60X總線具有優秀的連接性能和高數據傳輸速率，在本設計中采用60X總線作為MPC7410和芯片組的連接。
此外，還可通過對MPC7410的PLL信號設置產生不同的內核頻率，本設計中處理器的外部頻率為100MHz，采用5倍的頻率系數，即處理器主頻為500MHz。
2.2.2 L2 Cache
MPC7410處理器支持L2 Cache，內部集成了L2Cache接口控制器，提供L2 Cache接口的總線時序控制電路，通過處理器內部L2 Cache控制器可以訪問Cache存儲器。主處理板上實現了總容量為2MByte的L2 Cache，數據寬度為72位，其中8位為校驗位，64位為數據位。
2.2.3 橋接器
橋接器PC107是為PowerPC專門設計的橋芯片/存儲器控制器，主要實現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設備，受PCI主橋的管理。本設計中PC107的工作方式為host mode。
2.2.4 存儲器
主處理板上設計有SDRAM存儲器、系統FLASH存儲器、64位用戶FLASH存儲器和NVSRAM存儲器。其容量配置見表1。
2.2.4.1 SDRAM
在本設計中，SDRAM用于存放操作系統臨時數據以及應用程序的數據和代碼，為程序的運行和保存臨時文件提供空間。SDRAM的管理由me-mory控制器來實現。橋接器PC107提供了高速SDRAM控制器，數據寬度配置為64位。PC107的SDRAM接口特點：SDRAM器件必須與SDRAM的JEDEC規范兼容，32位和64位數據可選寬度，支持頁面式訪問，支持8個物理bank，最大支持1GB的存儲大小。本設計中SDRAM的總容量為512MB，總線時鐘設計為100MHz。
由于SDRAM時鐘總線的頻率較高，為了提高模塊的抗干擾能力和電磁兼容性，在PCB布局布線，包括走線長度、布線路徑、阻抗匹配、線長線寬及間距等方面提出嚴格要求，并且在PCB制作前期通過仿真對信號完整性進行分析，確保電路的可行性。
2.2.4.2 FLASH
本設計中FLASH分為系統FLASH和應用FLASH。系統FLASH地址分配在存儲空間的高端，用于系統的啟動，系統FLASH上駐留BootRom引導程序、上電BIT測試程序、FLASH在板編程程序及操作系統。容量為4MB，8位數據寬度。應用FLASH用于儲存應用程序，總容量為256MB，64位數據寬度。
2. 2. 4.3 NVSRAM
NVRAM是非易失存儲器，用于存放系統重要信息，32kB存儲容量，8位數據寬度。
2.2.5 復位
主處理板硬件復位包括兩種：a.上電復位：外部電源5V電壓低于4.65V時，該主處理板處于復位狀態，外部電源5V電壓高于4.65V后，產生大于200ms復位，復位整個硬件，同時驅動CPCI總線復位信號；b.手動復位輸入：由外部手動復位引起，復位整個硬件，同時驅動CPCI總線復位信號。
2.2.6 看門狗
主處理板具有看門狗功能，當看門狗功能失效后，產生看門狗中斷，上電默認為禁止。在FPGA內部設置看門狗使能寄存器，可以通過軟件使能或禁止看門狗，看門狗定時器報警后產生中斷。看門狗定時周期由硬件設置。
2.2.7 FPGA
FPGA主要負責系統的復位、中斷管理和相關接口的時序和邏輯控制。本設計采用Xilinx的Virtex系列芯片，該系列FPGA片內含有豐富的寄存器/鎖存器、同步、異步置位/復位信號、鎖相環等。這款FPGA有30萬門，260個IO管腳，滿足設計要求。使用FPGA的另一個顯著優點是可以不斷地完善程序，進行實時在線編程。
2.2.8 定時器
PC107內部提供4路32位定時器，定時時鐘為PC107的輸入時鐘的1/8，精度±50ppm：時鐘中斷輸入到處理器。其中定時器1作為操作系統定時時鐘，其它3路定時器作為應用程序操作時鐘，可通過軟件對其進行設置，最小定時周期為1ms。
2.3 外圍接口功能模塊
2.3.1 以太網接口
主處理板提供10MB/100MB自適應的快速以太網接口，該以太網接口的設計基于橋接器PC107控制的PCI總線，基本框圖如圖2所示。主要由以太網控制器、網絡隔離變壓器和RJ45三部分組成。其中以太網控制器采用Intel公司的高集成度、高性能、低功耗10/100Mbps快速以太網控制芯片，專用于局域網到桌面的解決方案，如作為服務器、個人計算機和移動平臺的入網接口，符合LOM(LAN On Motherboard)設計規范。以太網控制器通過片上的命令和狀態寄存器經由PCI總線和處理器MPC7410通信，包含了MAC控制器和物理層接口，可工作在半雙工模式和全雙工模式。
以太網控制器通過網絡隔離變壓器驅動RJ45網線接口，用來支持10/100BASE-T，實現與外界通信。
2.3.2 RS232串口
RS232串口的使用使本設計更具通用性，可以和具有相同類型串口的設備進行通信。主處理板提供兩路RS232串行接口，用于與開發平臺的通訊，串口部分通過EXAR公司的UART通訊控制器來實現，它帶有16字節的FIFO和半雙工控制，最大傳輸速率1.5Mbps。
2.3.3 PMC擴展接口
主處理板支持2個64bit/66MHz的PMC擴展接口，該接口滿足PCI2.2規范，可根據不同的系統需求進行擴展，如千兆網卡、數據采集卡、顯卡、電子盤等，使系統應用更加靈活。
2.4 CPCI總線功能模塊
主處理板基于CPCI總線，CPCI總線的電氣特性與PCI總線相同。目前CPCI已經取代VME以及STD工業標準，成為工業界的新一代標準。主處理板遵從Eurocard工業標準，定義了6U(233.35mm×160mm)板尺寸，CPCI板連接器共有5個插座，J1～J5。規范定義了J1和J2的信號線管腳，J3～J5為自定義插座，如圖3所示。
本設計中用PLX公司的PCI-to-PCI橋芯片實現CPCI總線接口。該芯片提供標準的33MHz～66MHz的PCI總線接口，支持32位/64位PCI設計，該芯連接PCI設備不需要額外的驅動電路和邏輯，可直接和主處理板內部PCI信號直接連接。
3 底層軟件
主處理板移植性能穩健的VxWorks操作系統，它對很多設備提供支持，且設備驅動程序都采用模塊化設計，各模塊之間功能明確、接口規范。
主處理板的底層軟件由兩個部分組成：BootRom引導代碼和VxWorks操作系統映像。系統上電先啟動BootRom引導程序，然后把引導代碼段和數據段從Flash拷至SDRAM中，引導代碼執行后跳轉到VxWorks映像執行。本系統采用網口加載VxWorks映像，這種啟動形式有獨特優點，能適應硬件，方便調試和現場升級等。
BootRom引導代碼固化在主處理板的Flash上，作用是將主處理板的最小系統啟動起來，以完成加載和執行VxWorks映像的目的。BootRom相對于VxWorks映像來說功能比較簡單，大小易于控制。BootRom成功運行后，啟動了保護模式和文件系統支持，驅動了網絡、串口等輔助設備，消除了硬件環境對程序映像的限制，使得VxWorks應用程序的制作和加載變得自由隨意。
4 結束語
CPCI總線是高速同步共享總線，基于此標準總線結構的主處理板設計采用高性能的RISC微處理器MPC7410，并且移植VxWorks操作系統，保證了基于CPCI總線的主處理板的穩定性和可靠性。此外，主處理板還提供多種標準接口，能方便實現對系統中其他擴展板如以太網卡、數據采集卡、顯卡、電子盤等的系統控制、管理及信息交換，提高系統性能。本主處理板現已應用于某型號顯控處理機，它還適用于任何CPCI總線系統，可在聲吶、雷達、顯控等軍用或民用信號處理領域發揮作用。