基于PowerPC405EP的網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘要: 本文介紹了一種新型的32位高性能RISC處理器PowerPC405EP，提出了一種基于PowerPC405EP的網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)產(chǎn)品控制器硬件設(shè)計(jì)方案并給出了部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，然后討論了基于此網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的開發(fā)，移植以及BSP引導(dǎo)程序的開發(fā)流程。
關(guān)鍵詞: RISC，PowerPC，網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器，VxWorks BSP， bootroom

引言
網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)是一種將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能與打印功能合二為一的新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其控制器設(shè)計(jì)要求處理器速度快，功能強(qiáng)大，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)處理、打印數(shù)據(jù)交換以及嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)等對硬件的各種資源要求。PowerPC405EP是IBM公司推出的一種高性能的32位RISC嵌入式處理器，片上集成了PowerPC405內(nèi)核以及各種豐富的外圍設(shè)備接口資源，最高速度可達(dá)333MHz。本文針對該處理器的特點(diǎn)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對此方案中較為關(guān)鍵的軟硬件技術(shù)進(jìn)行了討論。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
該網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器以PowerPC405EP為核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)包含PowerPC405EP處理器芯片及其上電復(fù)位電路、電源電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、SDRAM內(nèi)存及擴(kuò)展電路、程序存儲及啟動調(diào)試Flash電路、1片連接在IIC總線上提供啟動配置選擇的EEPROM、用于ICE調(diào)試的JTAG口以及以太網(wǎng)口、串口等通信接口，與打印機(jī)引擎的數(shù)據(jù)通信協(xié)議由1塊FPGA實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，控制器從以太網(wǎng)口接收打印數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算處理后，通過外部設(shè)備總線控制器訪問FPGA，把打印控制信號和數(shù)據(jù)輸出給引擎，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)打印功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

CPU時(shí)鐘電路
用一33.33MHz的外部晶振連接到CPU的Sysclk管腳作為外部輸入的低頻時(shí)鐘源, 然后通過初始化配置片內(nèi)PLL將外部輸入的低頻時(shí)鐘源倍頻，為系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)高頻系統(tǒng)時(shí)鐘。

SDRAM內(nèi)存電路
由于405EP的SDRAM接口是32位數(shù)據(jù)總線，因此選用2片HY57V281620HCT芯片作為板上內(nèi)存模塊。該芯片片內(nèi)結(jié)構(gòu)組織模式為8M16位，這2塊內(nèi)存芯片共用一個(gè)bankSel0片選空間，構(gòu)成數(shù)據(jù)總線寬為32位的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，內(nèi)存容量32MB。另外可增加一條168針的DIMM擴(kuò)展槽，使內(nèi)存空間擴(kuò)大到512MB。

內(nèi)存模塊各芯片以及DIMM的時(shí)鐘由405EP的Memclkout0引腳提供(頻率等于PLB總線時(shí)鐘,一般為100MHz或133MHz)。為了保證各芯片時(shí)鐘同步，引入CY2309時(shí)鐘匹配芯片，該芯片擁有內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)，可以將CPU輸出的時(shí)鐘信號匹配成若干條相位頻率完全相同的時(shí)鐘信號，并且可以避免任一時(shí)鐘信號反射對其他時(shí)鐘造成的影響。由于內(nèi)存模塊工作頻率較高，布板時(shí)應(yīng)注意各芯片時(shí)鐘走線嚴(yán)格要求等長，相同性質(zhì)的信號線應(yīng)盡量使用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另外需結(jié)合控制器內(nèi)部時(shí)序寄存器的配置來對這部分電路進(jìn)行板級仿真。

程序存儲電路
由于405EP的EBC總線具有16位數(shù)據(jù)線和29位地址線，選擇2片MX29LV160BTC的Flash芯片用以存放BSP、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks和用戶應(yīng)用程序。將Flash的BYTE#管腳設(shè)置為低電平，使Flash工作于x8模式。這樣2片F(xiàn)lash共用一個(gè)CS0片選空間，構(gòu)成EBC數(shù)據(jù)總線同步訪問的高8位和低8位，容量為4MB。由于405EP采用PowerPc內(nèi)核，即405EP的A31是LSB，A3是MSB，數(shù)據(jù)總線亦然，而Flash芯片的A0和D0皆是LSB，連線時(shí)要注意管腳次序。另外，由于Flash是2字節(jié)同步讀取操作，連線時(shí)應(yīng)將CPU的地址線左移1位，即不使用最低位A0。

為了便于系統(tǒng)調(diào)試，可增加一片512KB的SST39SF040用于bootrom啟動，通過跳線與2片F(xiàn)lash互選CS0片選，這樣系統(tǒng)啟動時(shí)會自動從CS0的設(shè)備上讀取啟動代碼。程序存儲模塊如圖2所示：

圖2 Flash程序存儲電路

以太網(wǎng)接口電路
RTL8201BL網(wǎng)口芯片用來實(shí)現(xiàn)PowerPC405EP與100M以太網(wǎng)的接口，使用外部25MHz晶振，通過16PT8515網(wǎng)絡(luò)濾波器連接到以太網(wǎng)上。由于PowerPC405EP帶有100M以太網(wǎng)MAC，所以能夠?qū)崿F(xiàn)和RTL8201BL的無縫連接。RTL8201BL有兩種接口：SNI和MII。本系統(tǒng)采用MII。接口的選擇可以通過設(shè)置MII/SNIB引腳為高電平和正確地設(shè)置ANE、SPEED和DUPLEX引腳來實(shí)現(xiàn)。MII能夠運(yùn)行在兩個(gè)頻率上，即25MHz和2.5MHz，分別支持100M以太網(wǎng)和10M以太網(wǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MAC將首先判定TXEN信號并改變8位數(shù)據(jù)為4位數(shù)據(jù)，再通過TXD[0:3]傳到物理層上，在TXEN信號有效期間，PHY將通過傳輸時(shí)鐘信號TXCLK對TXD[0:3]上的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣；當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，PHY將判定接收使能信號，來接收RXD[0:3]上的數(shù)據(jù)。

打印機(jī)引擎控制
作為網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器的數(shù)據(jù)輸出端，在一塊FPGA中由硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)處理器通過EBC總線對引擎的控制如圖1所示。此FPGA占用一個(gè)EBC總線的片選空間CS3并享有外部中斷。在打印時(shí)，F(xiàn)PGA中的邏輯FIFO數(shù)據(jù)不滿時(shí)將觸發(fā)外部中斷，處理器調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序繼續(xù)向引擎發(fā)送打印數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)啟動配置
PowerPC405EP提供了一個(gè)IIC串行EEPROM控制器用以實(shí)現(xiàn)啟動配置。當(dāng)配置引腳UART0-Tx被置于高電平時(shí)則使能該控制器。選用一片按照固定字節(jié)格式保存有啟動配置信息的AT24C32連接到該控制器作為從設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)，該控制器能夠從AT24C32中連續(xù)讀取32個(gè)字節(jié)，用以實(shí)現(xiàn)PLL、各總線時(shí)鐘頻率、PCI總線配置、引導(dǎo)信息等相關(guān)寄存器的初始化配置。如果引腳UART0-Tx被置于低電平，則該控制器失效，這些寄存器初始化配置將使用默認(rèn)值，其中PLL被旁路且被復(fù)位，必須在復(fù)位后用軟件來初始化相關(guān)PLL寄存器。

嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的開發(fā)與移植
本文選用WindRiver公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其集成開發(fā)工具Tornado來開發(fā)該控制器。系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試工具采用WindRiver公司生產(chǎn)的VisionIce仿真器。仿真器一端連接PC機(jī)網(wǎng)口，另一端連接PowerPC405EP的JTAG接口。開發(fā)時(shí)首先調(diào)試PowerPC內(nèi)核和SDRAM內(nèi)存，一旦它們工作正常，就可以通過仿真器下載RTOS到內(nèi)存來輔助硬件調(diào)試。然后調(diào)試網(wǎng)口，如果網(wǎng)口工作正常，就可以脫離仿真器，利用Tornado提供的工具軟件，如WDB,通過網(wǎng)口線建立電路板與PC的通信機(jī)制，來調(diào)試其他模塊和開發(fā)應(yīng)用程序。開發(fā)完畢后，將正確的啟動代碼燒制到bootrom中，由bootrom引導(dǎo)程序通過ftp將VxWorks內(nèi)核與應(yīng)用程序下載燒寫到Flash中。

VxWorks得以廣泛流行的一個(gè)重要原因在于它的可移植性，通過板級支持包BSP， VxWorks操作系統(tǒng)的應(yīng)用代碼可獨(dú)立于硬件。在系統(tǒng)移植時(shí)，只需根據(jù)硬件平臺修改BSP，而不需要改變操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

VxWorks BSP 的文件結(jié)構(gòu)與開發(fā)流程
在VxWorks中，BSP由一組與特定目標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)的文件組成。這些文件包括編譯文件makefile、ROM初始化文件romInit.s、系統(tǒng)初始化文件sysAlib.s、配置文件config.h、目標(biāo)板定義文件bspname.h、網(wǎng)絡(luò)配置文件configNet.h、系統(tǒng)庫文件syslib.c、用戶配置文件usrConfig.c、引導(dǎo)配置文件bootConfig.c、引導(dǎo)初始化文件bootInit.c、串口文件sysSerial.c、以太網(wǎng)接口文件ibmEmacEnd.c等。BSP啟動流程如圖3所示。

針對以上文件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)BSP的開發(fā)流程分為3個(gè)步驟。

圖3 VxWorks BSP啟動流程

建立開發(fā)環(huán)境
主要是以開發(fā)板CPU的BSP文件為模板，在 ornado argetconfig目錄下創(chuàng)建用戶的BSP目錄bspname，把 ornado arget configall下的文件和BSP模板文件拷貝到該目錄下。

修改模板文件
(1) makefile：該文件通過命令行方式對創(chuàng)建映像文件進(jìn)行控制，必須定義下列宏：
CPU：PPC405
TOOL：GNU
TGT_DIR：目標(biāo)板目錄的路徑，使用默認(rèn)
TARGET_DIR：BSP目錄名，自定義
VENDOR：目標(biāo)生產(chǎn)商名，IBM
BOARD：目標(biāo)板名，自定義
ROM_TEXT_ADRS：啟動ROM的入口地址，本系統(tǒng)設(shè)為0xfff80100
ROM_SIZE：ROM大小，本系統(tǒng)為512KB
RAM_LOW_ADRS：加載VxWorks的目標(biāo)地址，本系統(tǒng)設(shè)為0x00010000
RAM_HIGH_ADRS：將引導(dǎo)ROM映像復(fù)制到RAM中的目標(biāo)地址，本系統(tǒng)設(shè)為0x00c00000

(2) bspname.h：該文件根據(jù)405EP設(shè)置串行接口，時(shí)鐘及I/O設(shè)備等，必須包含以下內(nèi)容： 中斷向量/優(yōu)先級別、I/O設(shè)備地址、設(shè)備寄存器各位的含義、系統(tǒng)和附加時(shí)鐘參數(shù)（最大最小速率）。

(3) config.h：該文件包含定義所有與405EP目標(biāo)板相關(guān)的組件。
設(shè)置缺省啟動行：用網(wǎng)絡(luò)啟動
RAM地址和大小：地址從0開始，大小為32MB
設(shè)置ECC：失效
設(shè)置是否支持MMU和Cache：支持Cache
定時(shí)器是否使用外部時(shí)鐘：否
串口時(shí)鐘定義：使用外部時(shí)鐘
串口默認(rèn)通道：使用通道1
包含網(wǎng)口：支持以太網(wǎng)接口
WDB默認(rèn)通信方式：網(wǎng)口

另外注意ROM_TEXT_ADRS、ROM_SIZE、RAM_LOW_ADRS、RAM_HIGH_ADRS必須與makefile中的定義保持一致。

(4) romInit.s：該文件是一段匯編語言的初始化代碼，其中的romInit( )函數(shù)是bootrom和基于ROM的VxWorks映像的入口。需要做的工作有：

將相關(guān)寄存器清零和置位；
屏蔽中斷：通過設(shè)置MSR寄存器中的CE位與EE位；
關(guān)閉數(shù)據(jù)、指令Cache；
初始化EBC總線寄存器：通過對bank寄存器的設(shè)置為EBC總線上的各種設(shè)備分配片選信號與地址空間；
初始化內(nèi)存：對SDRAM接口各寄存器進(jìn)行配置，為板載內(nèi)存與DIMM分配片選信號與地址空間；
初始化堆棧指針；
計(jì)算romStart( )函數(shù)地址，然后跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)執(zhí)行C語言代碼，并不再返回。

(5) 用戶配置文件usrConfig.c中的代碼是VxWorks映像的主要初始化代碼，而引導(dǎo)配置文件bootConfig.c中的代碼是bootrom映像的主要初始化代碼。bootInit.c是ROM初始化的第2階段，RomInit( )完成后跳轉(zhuǎn)到此文件中的romStart( )，該函數(shù)完成ROM映像所需要的解壓縮和重定位工作。以上3個(gè)文件一般無須用戶直接修改。

(6) 系統(tǒng)庫文件syslib.c：該文件包含了與特定目標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)的庫函數(shù)，這些函數(shù)為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供板級接口，使得這些程序與硬件系統(tǒng)無關(guān)。該文件至少包含下列函數(shù)：sysModel、sysBspRev、sysHwInit、sysHwInit2和sysMemTop等。其中sysHwInit是本文件的核心，大部分硬件初始化工作都在這部分完成。本系統(tǒng)也可選擇將包括串口、網(wǎng)口等硬件設(shè)備的初始化入口程序添加到該函數(shù)中，相關(guān)設(shè)備的驅(qū)動程序可作為子文件引入syslib.c。

創(chuàng)建VxWorks鏡像
根據(jù)具體需要在命令行環(huán)境下利用makefile創(chuàng)建各種鏡像，也可以在Tornado集成環(huán)境下在Build菜單里選擇Build Boot Rom來創(chuàng)建各種類型的bootrom。

結(jié)語
本文向讀者推出了一種新型的高性能RISC處理器，并對以這種處理器為核心構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件開發(fā)流程做了詳細(xì)的介紹。鑒于不同類型的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的共性，希望本文能對其他基于RISC處理器的嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)提供一定的參考價(jià)值。