基于CPCI總線(xiàn)的PowerPC主處理板設計

摘要：介紹了嵌入式系統中使用的基于CPCI總線(xiàn)的PowerPC主處理板的設計方法，以目前廣泛應用的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控制電路構成硬件平臺，并移植VxWorks作為操作系統。提供多種標準接口，支持擴展功能，性能穩定可靠。
關(guān)鍵詞：CPCI總線(xiàn)；RISC微處理器；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列

0 引言
Compact PCI(簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI)總線(xiàn)是“PCI總線(xiàn)工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線(xiàn)標準，近年來(lái)應用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線(xiàn)PCI發(fā)展而來(lái)，既有PCI總線(xiàn)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(wú)源背板總線(xiàn)VME總線(xiàn)的可靠性。CPCI總線(xiàn)在33MHz時(shí)鐘、32位數據寬度的條件下可達到峰值132MB／s的帶寬，在66MHz時(shí)鐘、64位數據寬度的條件下可達到峰值528MB／s的帶寬。
PowerPC是1993年IBM、Apple和Motorola公司(其半導體部門(mén)現在分拆為Freescale公司)聯(lián)盟共同設計的。PowerPC技術(shù)以RISC(精簡(jiǎn)指令集計算機)為基礎，該技術(shù)由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強RISC)體系結構而來(lái)。PowerPC中的PC代表Performance Computing，PowerPC即超強的高性能計算處理器。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，主要應用于嵌入式系統。

1 系統結構
主處理板的系統結構框圖見(jiàn)圖1。主要由四部分組成：電源轉換功能模塊、PowerPC功能模塊、外圍接口(RS232串口、以太網(wǎng)口及PMC擴展接口)功能模塊、CPCI總線(xiàn)(PCI-to-PCI橋)功能模塊。

2 硬件設計
2．1 電源轉換功能模塊
電源設計在整個(gè)硬件設計中非常重要，好的電源設計才能保證主處理板正常穩定的工作。硬件上設計有4種電源：主供電電源5V(由外部提供)，PowerPC7410內核電壓1．8V，橋接芯片PC107內核電壓2．5V，各芯片I／O電壓3．3V。
采用LINEAR公司的DC／DC開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現主供電電源5V到1．8V、2．5V和3．3V的電壓轉換，每路最大輸出電流10A。該DC／DC電源模塊代表了一種面向負載點(diǎn)電源的新型架構，它顯著(zhù)地簡(jiǎn)化了電源設計工作。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，它還具有的一項獨特性能是其無(wú)時(shí)鐘延遲電流模式，從而令其能夠對負載電流的快速變化迅速做出響應。
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(guò)橋接器MPC107訪(fǎng)問(wèn)板內資源。
MPC7410是G4系列的高性能處理器，G4在G3的基礎上在性能上有很大提高，主要表現在支持對稱(chēng)多處理器(SMP)結構和引入了一流的Alti-Vec技術(shù)來(lái)處理矢量運算。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，使其數據處理能力有了數量級的提升。
MPC7410內部主頻最高為500MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可以執行8條指令，其中包括4條矢量運算(AltiVec)指令和2條整型指令。通過(guò)加入AltiVec技術(shù)，處理能力達到了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的穩定性。
MPC7410提供了兩種總線(xiàn)模式：60X總線(xiàn)模式和MPX總線(xiàn)模式，不同的總線(xiàn)定義的信號也有所不同?？偩€(xiàn)的選擇，可通過(guò)MPC7410的EMODE信號來(lái)選擇，當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(xiàn)。反之，當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(xiàn)。由于60X總線(xiàn)具有優(yōu)秀的連接性能和高數據傳輸速率，在本設計中采用60X總線(xiàn)作為MPC7410和芯片組的連接。
此外，還可通過(guò)對MPC7410的PLL信號設置產(chǎn)生不同的內核頻率，本設計中處理器的外部頻率為100MHz，采用5倍的頻率系數，即處理器主頻為500MHz。