基于CPCI總線的PowerPC主處理板設(shè)計(jì)

摘要：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(jì)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(biāo)準(zhǔn)接口，支持?jǐn)U展功能，性能穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：CPCI總線；RISC微處理器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織”推出的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，近年來應(yīng)用發(fā)展最為迅速。它由PC機(jī)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(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，又有無源背板總線VME總線的可靠性。CPCI總線在33MHz時(shí)鐘、32位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達(dá)到峰值132MB／s的帶寬，在66MHz時(shí)鐘、64位數(shù)據(jù)寬度的條件下可達(dá)到峰值528MB／s的帶寬。
PowerPC是1993年IBM、Apple和Motorola公司(其半導(dǎo)體部門現(xiàn)在分拆為Freescale公司)聯(lián)盟共同設(shè)計(jì)的。PowerPC技術(shù)以RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))為基礎(chǔ)，該技術(shù)由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強(qiáng)RISC)體系結(jié)構(gòu)而來。PowerPC中的PC代表Performance Computing，PowerPC即超強(qiáng)的高性能計(jì)算處理器。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

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(kuò)展接口)功能模塊、CPCI總線(PCI-to-PCI橋)功能模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 電源轉(zhuǎn)換功能模塊
電源設(shè)計(jì)在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中非常重要，好的電源設(shè)計(jì)才能保證主處理板正常穩(wěn)定的工作。硬件上設(shè)計(jì)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(shí)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(fù)載點(diǎn)電源的新型架構(gòu)，它顯著地簡化了電源設(shè)計(jì)工作。它具有很多優(yōu)秀的特點(diǎn)：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(xiàng)獨(dú)特性能是其無時(shí)鐘延遲電流模式，從而令其能夠?qū)ω?fù)載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(yùn)算。AltiVec技術(shù)是一個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，其中包括4條矢量運(yùn)算(AltiVec)指令和2條整型指令。通過加入AltiVec技術(shù)，處理能力達(dá)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。總線的選擇，可通過MPC7410的EMODE信號來選擇，當(dāng)EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r(shí)也為高電平，則選擇了60X總線。反之，當(dāng)EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r(shí)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(jì)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(jì)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。