基于MPC8270的多总线处理器模块设计
摘 要：介绍了一款基于MPC8270的PowerPC处理器模块设计方法，以目前应用广泛的RISC微处理器MPC8270作为核心处理器，以FPGA为控制核心电路，实现百兆以太网、USB 2.0、RS422和CPCI多种总线功能，提供日历时钟功能，采用VxWorks作为操作系统，性能稳定可靠。
关键词：PowerPC；FPGA；CPCI；RISC
中图分类号：TP332
Freescale公司的MPC8270系列PowerPC处理器，是一款多功能通信处理器，集成了PowerPC内核和通信处理模块内核。通信处理模块部分包含了多种外部接口，支持多种常用底层传输协议，通过灵活设置外围通信模块可实现具体应用中的多种总线。
基于MPC8270处理器设计的多总线处理器模块，应用于某健康管理计算机中，集成百兆以太网、USB 2.0、RS422和CPCI多种接口，提供日历时钟功能，同时具有高性能、低功耗的特点，处理器主频达到450MHz，整体功耗不大于7W。由于其具备了丰富的总线接口和较高的处理运算能力，可在多个领域进行推广应用。
1 系统结构
模块的系统结构框图见图1，虚线框内为模块各功能电路，主要包括：处理器及周边电路、电源转换电路、实时时钟电路和外围接口电路。
图1 模块系统框图
2 硬件设计
2.1 处理器及周边电路
2.1.1 处理器。处理器的核心功能是负责指令执行、逻辑运算、数据运算处理等，处理器的正确选择对于整个模块的设计具有极大的帮助，最大限度利用处理器集成的功能接口，可有效简化整体设计的难度。
本设计采用MPC8270作为处理器，该处理器特性为：双处理器内核，包括一个嵌入式PowerPC 603e内核和一个通信处理模块（CPM）；16kB指令cache，16kB 数据cache；双地址总线，包括32bit Local Bus和64位60X Bus，总线时钟最大支持100MHz；64bit SDRAM内存控制器，32bit 33/66MHz PCI总线，支持主从模式；支持3个FCC接口；支持4个SCC接口；低功耗，典型功耗为2.0W，最大功耗2.3W。
MPC8270处理器由主内核、SIU、CPM等3个主要功能模块组成，如图2所示。MPC8270 的处理器主内核称为G2_LE，它是一种PowerPC架构的多级流水线超标量处理器。MPC8270内核运行频率为166-450MHz。SIU模块主要负责60x总线控制、PCI桥及时钟产生。CPM模块负责处理通信事务，即处理SCC、SMC、FCC、MCC、USB、SPI、I2C等通信控制单元收发数据。
图2 MPC270构架图
2.1.2 存储器。模块上设计有SDRAM存储器、系统FLASH存储器、用户程序FLASH存储器和用户数据FLASH存储器。
（1）SDRAM存储器。在本设计中，SDRAM用于存放操作系统临时数据以及应用程序的数据和代码，为程序的运行和保存临时文件提供空间。SDRAM的管理由MPC8270的SDRAM控制器来实现。MPC8270的SDRAM可配置为16bit、32bit和64bit，本设计中配置为64bit。容量为128MB，总线时钟设计为100MHz。由于SDRAM时钟总线的频率较高，为了提高模块的抗干扰能力和电磁兼容性，在PCB布局布线，包括走线长度、布线路径、阻抗匹配、线长线宽及间距等方面提出严格要求，并且在PCB制作前期通过仿真对信号完整性进行分析，确保电路的可行性。
（2）系统FLASH存储器。系统FLASH地址空间分配为0xFE000000～0xFFFFFFFF，容量为32MB，用于模块系统的启动。系统FLASH上驻留启动引导程序、上电BIT测试程序、FLASH在板编程程序及操作系统。
（3）用户程序FLASH存储器。用户程序FLASH地址空间分配为0xFC000000～0xFDFFFFFF，容量为32MB，该FLASH空间用于驻留用户的应用程序，模块启动后，根据离散量状态判断模块处于调试状态还是工作状态，如果处于工作状态，将从该空间开始执行应用程序。
（4）用户数据FLASH存储器。用户数据FLASH地址空间分配为0xFA000000～0xFBFFFFFF，容量为32MB，该FLASH空间用于存放系统运行过程中的重要信息，如：BIT自检结果信息、系统运行过程状态记录、外部关键数据等，该空间支持FAT32格式的文件系统，数据以二进制格式进行存储，便于下载分析。
2.1.3 FPGA。FPGA主要负责模块的复位、中断管理和相关接口的时序和逻辑控制。本设计采用Xilinx的Virtex2系列芯片，该系列FPGA片内含有丰富的寄存器/锁存器、同步、异步置位/复位信号、锁相环等。本设计中选用的FPGA有100万门，432个IO管脚，接口电压3.3V，兼容5V TTL电平，满足功能需求。使用FPGA的另一个显著优点是可以不断地完善程序，进行实时在线编程。
2.1.4 看门狗复位电路。模块具有看门狗功能，当看门狗功能失效后，将产生看门狗中断，看门狗功能上电默认为禁止。在FPGA内部设置看门狗使能寄存器，可以通过软件使能或禁止看门狗，看门狗定时器报警后产生中断。看门狗定时周期由硬件设置。
模块硬件复位包括两种：上电复位和手动复位。上电复位：当5V电压低于4.4V时，模块处于复位状态，5V电压高于4.4V后，产生大于200ms的复位信号，复位模块整个硬件；手动复位：由外部手动复位按键输入引起，外部输入一个低电平信号后，将产生大于200ms复位信号，复位整个模块硬件。
2.2 电源转换电路
电源在PowerPC模块设计中非常重要，好的电源设计才能保证模块正常稳定地工作，如果出现电源纹波过大或抖动的情况，均可能导致模块的工作出现异常。模块上有4种电源：除外部输入的供电电源5V外，其余电源：MPC8270的内核电压1.5V，FPGA内核电压2.5V和其余芯片I/O电压3.3V均需要通过5V电压进行转换。
本模块采用LTC公司的DC/DC开关电源模块实现供电电源5V到1.5V、2.5V和3.3V的电压转换，该电源转换芯片可设置为单路输出或双路输出，单路最大输出电流16A，双路输出每路最大输出电流8A，本设计中3.3V电源采用单端输出，1.5V和2.5V采用双路输出。采用该电源模块，能够显著地简化电源设计工作。它具有很多优秀的特点：高功率、高效率、尺寸小、重量轻、散热性能好等。
在电源转换模块的输出端放置容值为22uF、47uF和100uF的磁介质电容各一个，可有效抑制电源输出的纹波，使整个模块的供电电源品质得到提高。
2.3 实时时钟电路
模块有实时时钟电路，可提供年月日时分秒的计时功能，下电后可保持时间信息，计时功能采用DALLAS公司的专用计时芯片实现，数据接口为I2C接口，MPC8270自带I2C接口，可和计时芯片实现直接连接。模块下电后，计时芯片的电源由锂电池提供，选用的锂电池可提供芯片3年左右的供电。
2.4 外围接口电路
2.4.1 串行接口。串口的采用使本模块更具通用性，可以和具有相同类型串口的设备进行通信。本模块提供1路RS232串行接口，用于与开发平台的通讯，提供4路RS422串口，用于和外部接口板卡进行数据传输，RS232串行接口采用MPC8270自带串行接口SCC实现，RS422串口通过TI公司的UART通讯控制器来实现，1个芯片可实现4路串口控制器，每路控制器带有16字节的FIFO和半双工控制，最大传输速率1Mbps。
2.4.2 百兆以太网接口。MPC8270处理器具有3个FCC控制器，每个FCC控制器均支持10/100 Mbps Ethernet/IEEE 802.3x，因此，采用MPC8270本身的FCC控制器，外接以太网物理层收发器和隔离变压器，即可实现3路百兆以太网的功能。
2.4.3 USB2.0接口。USB接口用于记录健康监控的信息，由于信息量较大，需要记录的接口有较快的访问能力，外部存储空间需要有较大的容量。因此，采用USB接口可满足这些要求，本设计中采用USB2.0接口，最大可达到400Mbps的数据峰值传输能力，外接大容量电子盘，可实现海量数据的存储。设计中USB控制器由PHILIP公司的USB芯片实现，该芯片为PCI接口，可与MPC8270的PCI接口实现直接连接，USB控制器到USB设备之间设计有电源控制和保护电路，对USB设备和电路本身提供一定的保护功能，该部分电路示意图如图3所示：
图3 USB控制电路示意图
2.4.4 CPCI总线接口。Compact PCI简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际PICMG协会于1994年提出的一种总线接口标准。Compact PCI技术是在PCI技术基础上经过改造而成， 与PCI总线的电气规范相兼容，并与高性能连接器的机械结构相结合， 具有抗震性能好、高可靠性等优点，已经取代VME以及STD工业标准，成为工业界的新一代标准，可以构建高可靠性系统，满足数字通信、军事装备等各领域的要求。本设计遵从Eurocard工业标准，采用标准3U板尺寸，模块连接器共有2个插座：J1、J2。J1管脚信号为CPCI规范信号，J2为自定义信号插座。
本设计中用PLX公司的PCI-to-PCI桥芯片实现CPCI总线接口。该芯片提供标准的33MHz/66MHz的PCI总线接口，采用32bitPCI设计，该芯片连接CPCI设备不需要额外的驱动电路和逻辑，配置为“透明”工作方式后，可和模块内部PCI信号直接连接。
3 软件配置
模块移植了VxWorks操作系统，VxWorks是由美国风河公司开发的一套高可靠性、可剪裁的嵌入式实时操作系统. 它具有高度可剪裁的微内核结构、高效的多任务调度、灵活的任务间通信手段和快速灵活的I/O系统等优点。它对很多设备提供支持，且设备驱动程序都采用模块化设计，各模块之间功能明确、接口规范，是全世界范围内广泛使用的操作系统。
模块的底层软件由两个部分组成：引导程序和VxWorks操作系统映像。模块上电后先启动引导程序，将引导程序从Flash加载到SDRAM中，引导程序执行后跳转到VxWorks映像执行。模块采用网口加载VxWorks映像，方便调试和现场升级。
引导程序固化在模块的系统Flash上，作用是将模块的最小系统启动起来，以完成加载和执行VxWorks映像的目的。引导程序相对于VxWorks映像来说功能比较简单，大小易于控制。引导程序成功运行后，启动了保护模式和文件系统支持，驱动了网络、串口等辅助设备，消除了硬件环境对程序映像的限制，使得VxWorks应用程序的制作和加载变得自由随意。
4 结束语
基于MPC8270设计的多总线处理器模块，实现了多种总线接口功能的集成，软件移植了VxWorks操作系统，具有高可靠性、稳定性、高运算性能、低功耗的特点，由于采用了通用的CPCI总线接口，能方便实现对系统中其他扩展板卡如数据采集卡、显卡、电子盘等的控制、管理及信息交换，提高系统性能。在数据处理、总线控制和信息交换等多个领域有较广的应用前景。
参考文献：
[1]Freescale Semiconductor.MPC8280 PowerQUICC™ II Family Reference Manual.Document Number：MPC8280RM Rev.1，12/2005.
[2]Freescale Semiconductor.MPC8280 PowerQUICC™ II Family Hardware Specifications.Document Number：MPC8280EC Rev.1.8，8/2007.
[3]陈颖图.基于CPCI总线的PowerPC主处理板设计.电子技术，2011.
[4]PIMG 2.0 R3.0 Compact PCI Specification，1999.
[5]Wind River Systems Inc. VxWorks Programmer"s Guide5.5[Z].Alameda：
Wind River Systems Inc，2002.
作者简介：王爱林（1980-），男，四川南充人，工程师，主要从事计算机硬件设计与调试。
作者单位：航空计算技术研究所，西安 710119