基于MPC755的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　MPC755是Freescale公司開(kāi)發(fā)的PowerPC系列微處理器中具有卓越性能的G3代產(chǎn)品。本文介紹了以MPC755為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、主要芯片、地址空間分配、實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，以及系統(tǒng)的調(diào)試方法和啟動(dòng)過(guò)程。該嵌入式系統(tǒng)處理能力優(yōu)越，內(nèi)核最高處理能力可達(dá)733MIPS，可用于語(yǔ)音處理、路由器、無(wú)線接入、VoIP、軟交換等。

　　伴隨著信息化時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，而新業(yè)務(wù)要求嵌入式系統(tǒng)具備更強(qiáng)的處理能力。本文以MPC755為核心，構(gòu)建了一個(gè)功能強(qiáng)大、高度模塊化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、具備高度可擴(kuò)展性的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可用于語(yǔ)音處理、路由器、無(wú)線接入、VoIP、軟交換等眾多場(chǎng)合。因?yàn)镸PC755具有并行執(zhí)行數(shù)條指令、簡(jiǎn)單指令的快速執(zhí)行、流水線操作等優(yōu)點(diǎn)，所以該系統(tǒng)處理能力優(yōu)越，內(nèi)核最高處理能力可達(dá)733MIPS。通過(guò)主/PCI橋MPC107擴(kuò)展了多種通訊協(xié)議處理接口，符合多種RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如VxWorks、嵌入式Linux等)對(duì)其運(yùn)行平臺(tái)的要求。 

　　MPC755處理器

　　MPC755是一種32位超標(biāo)量微處理器，遵循了PowerPC處理器架構(gòu)，有著與PowerPC完全相同的指令集。芯片集成了6個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元(2個(gè)整數(shù)單元、1個(gè)加載/存儲(chǔ)單元、1個(gè)雙精度浮點(diǎn)單元、1個(gè)系統(tǒng)寄存器單元和1個(gè)跳轉(zhuǎn)處理單元)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最多可以同時(shí)執(zhí)行6條指令。

　　MPC755內(nèi)嵌了獨(dú)立的32K字節(jié)指令和數(shù)據(jù)高速緩存，以及指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存管理單元(MMU)。L2 Cache(二級(jí)高速緩存)控制單元最大可外接1M字節(jié)SRAM，用作二級(jí)高速緩存?？偩€接口單元向外引出60X總線，可以外接具有60X總線的設(shè)備。當(dāng)內(nèi)核工作在400MHz時(shí)，性能高達(dá)733MIPS。MPC755還包含了一個(gè)性能監(jiān)視器、一個(gè)遵循IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試接口、以及溫度管理單元等(MPC755功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)。

圖1：MPC755結(jié)構(gòu)框圖。

　　MPC755在引腳定義和軟件代碼上都向下兼容，核心電壓為2.0V，I/O電壓3.3V/1.8V可選。MPC755內(nèi)核的最高頻率是400MHz。系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)SYSCLK0引腳輸入，經(jīng)過(guò)PLL電路倍頻，產(chǎn)生內(nèi)核時(shí)鐘，即主頻。引腳PLL_CFG[0:3]在系統(tǒng)上電時(shí)的配置值(本設(shè)計(jì)中是0b'1010) 決定了倍頻系數(shù)。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　圖2是基于MPC755的嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)框圖。由圖可見(jiàn)，MPC755的接口擴(kuò)展主要依賴于主/PCI橋--MPC107。MPC755本身只外接了二級(jí)緩存，以提高系統(tǒng)性能。而其它接口都從MPC107引出，包括一個(gè)串口，一個(gè)10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口，I2C口等。串口和網(wǎng)口符合多種RTOS對(duì)運(yùn)行平臺(tái)的要求，且在硬件上滿足了嵌入式系統(tǒng)的兩種主要調(diào)試手段(串口調(diào)試和以太網(wǎng)調(diào)試)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)相當(dāng)容易。PMC槽使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)可擴(kuò)展性，可滿足不同的應(yīng)用需求。 

圖2：基于MPC755的系統(tǒng)框圖。

　　1. MPC107

　　MPC107是Freescale公司開(kāi)發(fā)的一種高性能、高帶寬的PCI橋接芯片。圖3顯示了MPC107的基本結(jié)構(gòu)。MPC107一側(cè)是60X總線接口，總線寬度32位/64位可選，最高頻率100MHz，另一側(cè)是PCI總線接口。芯片內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器控制器、DMA控制器、可編程中斷控制器、4個(gè)定時(shí)器、I2C控制器、消息單元(I2O)、PCI仲裁器、看門狗電路、動(dòng)態(tài)電源管理單元，PCI總線性能監(jiān)視單元、JTAG接口等。

圖3：MPC107結(jié)構(gòu)框圖。

　　存儲(chǔ)器控制器共有12個(gè)片選空間，其中8個(gè)RAM片選空間，CS[0:7]。每個(gè)片選空間的時(shí)序可編程，可支持FPM DRAM、EDO DRAM或SDRAM，最大可外接1GB RAM。另4個(gè)是ROM片選空間，RCS[0:3]，支持8位、32位、64位接口寬度，最大可外接144MB ROM。

　　2. 存儲(chǔ)器

　　本系統(tǒng)在CS0空間中擴(kuò)展128MB的SDRAM，用5片256M位(16M(16位)SDRAM拼成，其中一片用作ECC，其余4片用作系統(tǒng)內(nèi)存。

　　Flash選用了Intel公司的28F016S3，2M字節(jié)。因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須從RCS0上的設(shè)備讀取啟動(dòng)代碼，因此，F(xiàn)lash的片選連接到RCS0上。

　　At24C04是512字節(jié)的EEPROM，通過(guò)I2C總線連接到MPC107，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)信息，例如，產(chǎn)品名稱、版本號(hào)、網(wǎng)口的物理地址等。 

　　二級(jí)高速緩存選用了IDT公司的IDT71V35761，每片128K(36位，共2片，組合成128K×72位，其中64位是數(shù)據(jù)線，另外8位是校驗(yàn)信號(hào)。芯片的最高頻率為200MHz。二級(jí)高速緩存的使用極大地提高了系統(tǒng)性能，使MPC755如虎添翼。