基于MPC755的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

　　3. 串口

　　TL16C550是RS-232串口控制芯片，接在RCS1空間，MAX3221是電平轉(zhuǎn)換芯片。串口的工作模式由軟件決定，既可工作于中斷模式，也可工作于輪詢模式。在調(diào)試的時候，串口用于輸出調(diào)試信息和接收外部命令。在實(shí)際應(yīng)用中，串口可以作為系統(tǒng)和用戶的交流窗口，用戶通過串口來掌握或改變系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

　　4. PCI設(shè)備

　　本系統(tǒng)中，PCI采用MPC107內(nèi)部仲裁器，總線工作于33MHz。系統(tǒng)的網(wǎng)口芯片選用了Intel82559，這是一款具有PCI接口的，將物理層和鏈路層集成在一起的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口芯片，可減少電路板空間和走線數(shù)量。變壓器選用了Pulse公司的H1012。網(wǎng)口可工作于全雙工或者半雙工模式。

　　另外，PCI1410A是連接PCI總線和CF卡的一種接口芯片。CF卡具有攜帶方便、易于升級、存儲量大、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計中，CF卡主要用于保存應(yīng)用軟件、用戶數(shù)據(jù)備份等。而且，在今后的系統(tǒng)維護(hù)和軟件升級中，技術(shù)人員只需要更換CF卡或者升級CF卡中的軟件，十分方便。設(shè)計選用了SanDisk公司的型號為SDCFB-64-101的CF卡，64M字節(jié)容量，幾何尺寸為36.4mm×42.8mm×3mm。 

　　PMC插槽用于擴(kuò)展PCI插卡，增加系統(tǒng)功能。例如，如果系統(tǒng)需要增加一個網(wǎng)口，只要在PMC槽上插入一塊具有PMC接口的網(wǎng)卡就可以了。

　　5. 時鐘

　　M41T81是ST公司生產(chǎn)的一款時鐘芯片。在本設(shè)計中，為系統(tǒng)提供時鐘，因?yàn)樵陔娦?、網(wǎng)絡(luò)等許多應(yīng)用場合，系統(tǒng)必須提供時間信息。M41T81具有I2C接口，兩種供電模式：在系統(tǒng)上電時，由電路板上的3.3V電源供電；系統(tǒng)斷電時，自動切換到外接電池供電。電池供電時的電流很小，僅為1A。

　　地址空間分配

　　在PCI主設(shè)備模式下，MPC107支持兩種地址空間分配方案：Map A和Map B。在PCI從設(shè)備模式下，MPC107只支持Map B。選擇哪種地址分配方案是由上電啟動時，引腳SDBA0的高低來決定的，如果為高，則選用Map B，否則，選用Map A。在本系統(tǒng)中，MPC107工作于PCI主設(shè)備模式，選用了Map B地址空間分配方案。

　　在Map B地址空間分配方案中，整個32位(4G)地址空間被分為4大塊：本地存儲空間、PCI存儲空間、PCI I/O空間、系統(tǒng)ROM空間。如表1所示。

        表1：地址空間分配。

　　在本系統(tǒng)中，128MB SDRAM的基地址是0000_0000，2MB Flash的基地址是FFE0_0000，串口控制芯片TL16C550的基地址是：7C00_0000，64M CF卡的訪問地址是8000_0000。

　　設(shè)計關(guān)鍵

　　1. 時鐘

　　時鐘信號是本設(shè)計的一大關(guān)鍵。整個系統(tǒng)只有一個時鐘輸入：OSC_IN，33MHz，輸入到MPC107，經(jīng)過MPC107的FO緩存產(chǎn)生5個同步的PCI時鐘信號，其中3個PCI時鐘輸送給PCI設(shè)備，1個保留，另一個PCI時鐘作為系統(tǒng)時鐘(PCISYNC_OUT)，輸送到PLL和DLL(延時鎖相環(huán))模塊，經(jīng)過鎖相和倍頻，分別產(chǎn)生CPU時鐘(CPU_CLK0)、4個SDRAM(SDRAM_CLKx)時鐘、和一個回饋時鐘(SDRAM_SYNC)。CPU_CLK0輸送給MPC755。

　　MPC107的DLL模塊類似于PLL，但是它能夠把一個時鐘周期分為128個離散的間隔。在PCB布線時，SDRAM時鐘的走線是等長的。DLL檢測SDRAM_SYNC時鐘從輸出到輸入的時延，這個時延就相當(dāng)于SDRAM_CLK的時延。通過調(diào)整SDRAM_SYNC時鐘的時延，可以方便地增加或者減少SDRAM_CLK時鐘的延遲。一般情況下，走線16.5cm相當(dāng)于時延1000ps。

　　本設(shè)計中，CPU_CLK0走線長度、SDRAM_SYNC的走線長度和SDRAM_CLK時鐘的走線長度三者相等。PCISYNC_OUT到PCISYNC_IN的走線長度和PCICLK的走線長度相等。

　　MPC755通過對CPU_CLK0時鐘倍頻，獲得內(nèi)核主頻。二級高速緩存的時鐘是由MPC755對內(nèi)核主頻分配所得，分頻系數(shù)由L2CR寄存器的L2CLK位決定，可以是1、1.5、2、2.5、3(本系統(tǒng)選擇了2.5)。一般的，分配系數(shù)的選擇要根據(jù)外部Cache的性能、MPC755的內(nèi)核工作頻率和DLL的調(diào)整能力決定。L2 Cache最小的工作頻率是80MHz。分頻后的時鐘經(jīng)過片內(nèi)的DLL電路調(diào)整，輸送到二級緩存。但是，L2SYNC_OUT作為反饋時鐘又輸入到L2SYNC_IN，返回路徑長度必須是L2CLK_OUTA走線長度的二分之一，這樣CPU就能夠保證輸入到L2 Cache的時鐘信號上升沿是和L2接口的時鐘信號上升沿對齊的。

　　2. 高速布線

　　MPC107的PLL外部電路必須盡可能地靠近MPC107。網(wǎng)口芯片82559和變壓器H1012之間的走線應(yīng)該盡可能短，網(wǎng)口的一對輸入信號和一對輸出信號采用差分走線。連接MPC755和二級高速緩存的數(shù)據(jù)線、地址線的長度盡可能相等，因?yàn)橐B接二片SRAM芯片，所以采用“Y”形走線方式。SDRAM、L2 Cache的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線也都需要特別注意。如表2所示，所有高速走線，包括PCI走線，都進(jìn)行了阻抗匹配控制。

        表2：重要走線示意。

　　系統(tǒng)啟動過程和調(diào)試 

　　當(dāng)信號#HRESET為低電平時，MPC107就讀取配置引腳，以決定工作狀態(tài)。這些配置引腳是復(fù)用的，但是，在上電時，它們只扮作配置引腳。關(guān)鍵的幾個配置引腳的意義如表3。

        表3：啟動配置引腳及意義。

　　系統(tǒng)的硬件調(diào)試借助了Windriver公司的EST7xx系列仿真器。仿真器一端連接PC機(jī)，另一端連接MPC755的JTAG接口，即使SDRAM等模塊工作不正常，仿真器也可以訪問MPC755和MPC107的內(nèi)部寄存器，幫助判斷SDRAM和其它器件的故障所在。

　　首先調(diào)試PowerPC內(nèi)核和外部SDRAM，一旦它們工作正常，就可以通過仿真器下載RTOS，來輔助硬件調(diào)試。為此，筆者選用了Windriver公司的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，VxWorks及其集成開發(fā)工具Tornado。然后，調(diào)試串口，因?yàn)榇谙鄬唵?。如果串口工作正常，就可以脫離仿真器，利用Tornado提供的工具軟件，例如WDB，通過串口線建立電路板和PC機(jī)的通信機(jī)制，繼續(xù)調(diào)試其它模塊。調(diào)試的主要工作量是在MPC107，而不是MPC755。

　　調(diào)試結(jié)束后，將正確的啟動代碼燒制到Flash中，VxWorks和應(yīng)用軟件燒制到CF卡。因?yàn)閱訒r中斷入口的基地址為0xFFF00000，而PowerPC處理器啟動的中斷向量偏移地址是0x100，所以啟動代碼必須燒制在Flash的0xFFF00100地址。系統(tǒng)上電或者硬復(fù)位后，MPC755自動從該地址讀取指令并執(zhí)行，步驟如下：

　　PowerPC內(nèi)核初始化；
　　關(guān)閉所有中斷；
　　初始化SDRAM；
　　初始化MPC755內(nèi)部的高速緩存；
　　初始化二級高速緩存
　　初始化PCI接口；
　　初始化CF卡；
　　從CF卡讀取VxWorks及應(yīng)用軟件到SDRAM中；
　　運(yùn)行VxWorks；
　　初始化串口；
　　初始化I2C，從AT24C04讀取MAC地址；
　　初始化網(wǎng)口；
　　打開中斷；
　　運(yùn)行應(yīng)用軟件。

　　Bootrom中最初一段程序采用PowerPC的匯編語言編寫，這部分程序完成了對系統(tǒng)的最基本的初始化，其中最重要的是PowerPC內(nèi)核和SDRAM，以便可以盡快使用SDRAM，從而在其后可以使用C語言編寫的程序進(jìn)行后繼初始化工作。