基于MPC8260處理器的PPMC系統
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鑒于以往嵌入式系統缺點(diǎn)，結合高端嵌入式系統的新要求，VSO（VITA Standard Organization）在IEEE制定的P1386.1標準上，提出了PPMC（Processor PCI Mezzanine Card）概念，目的是確保各個(gè)廠(chǎng)家不同的CPU對外擁有相同的PCI接口。它對PPMC插座接口的電氣特性、引腳信號、PPMC和其Carrier Board的連接以及PPMC的尺寸作了嚴格規定，力求在高端嵌入式系統中促進(jìn)系統模塊化。
本文介紹了一種以MPC8260處理器為基礎的PPMC實(shí)現，構建了一個(gè)微型計算機系統。該系統完全符合VSO對PPMC的要求，在嵌入式PCI系統中可以即插即用，并可應用于CpmpactPCI系統中。該PPMC系統處理能力優(yōu)異（內核最高處理能力可達350MIPS），帶有多種通訊協(xié)議處理接口，符合多種RTOS（pSOS、VxWorks等）對其運行平臺的要求，且在硬件上滿(mǎn)足RTOS的兩種主要調試手段（串口調試和以太網(wǎng)調試），應用開(kāi)發(fā)相當容易。此外，該系統具備高度的現場(chǎng)可擴展性，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件配置，可以方便地提供多種通訊協(xié)議的前端處理接口。 1 MPC8260處理器簡(jiǎn)介 PowerPC芯片是由Motorola、Apple、IBM三家公司聯(lián)合研制的一種RISC處理器，具備超強處理能力，廣泛出現在處理器的高端應用場(chǎng)合。Motorola公司考慮到電信和網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)的特點(diǎn)，在PowerPC芯片的基礎上，推出了專(zhuān)為嵌入式系統設計的MPC8260芯片。該芯片內嵌一個(gè)PowerPC 603e內核，有著(zhù)與PowerPC完全相同的指令集合，并且集成了若干通訊協(xié)議處理單元，是目前最先進(jìn)的專(zhuān)為電信和網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)設計的微處理器。MPC8260芯片的功能框圖以及外部引腳示意如圖1所示。
由圖1可知，MPC8260主要包括三部分。第一部分是高性能的PowerPC 603e內核，體系結構與其它PowerPC芯片相同，運行頻率為100～266MHz。 第二部分是總線(xiàn)接口。在兼容MPC860局部總線(xiàn)的基礎上，MPC8260另外提供了高性能的PowerPC 60x總線(xiàn)。該總線(xiàn)是一種標準總線(xiàn)，32位地址線(xiàn)，64位數據線(xiàn)，支持多PowerPC芯片互連?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的寄存器配置來(lái)決定采用哪種總線(xiàn)。本系統選用60x總線(xiàn)，總線(xiàn)工作頻率為66MHz。 第三部分是通信處理模塊CPM（Communication Processor Module）。該模塊是MPC8260相對其它處理器的最大優(yōu)勢所在，除了帶有一個(gè)增強的32位RISC專(zhuān)用通信控制器外，模塊中還內嵌有3個(gè)FCC（Fast Communication Controller）、2個(gè)MCC（Multiple Channel Controller）、4個(gè)SCC（Serial Channel Controller）、2個(gè)SMC（Serial Managements Controller）。所有這些控制器都可以用來(lái)處理特定的通訊協(xié)議。 MPC8260芯片中包括四組通用I/O端口：PA、PB、PC、PD。這四組通用I/O端口與CPM有著(zhù)密切關(guān)系。PA、PB、PC包含32個(gè)管腳，PD包含28個(gè)管腳。各組端口中的每一個(gè)管腳都可以通過(guò)軟件配置外接不同的信號。例如，管腳PC[2]可以配置為外接以太網(wǎng)MII（Media-Independent Interface）接口的CD信號，也可配置為外接ATM（Asynchronous transfer mode異步傳輸模式）UTOPIA接口的TXD信號，還可配置為一般的IO信號。
PA、PB、PC、PD四組通用I/O端口的靈活配置，結合內部SCC、FCC、SMC的可配置性，使得CPM的功能得以倍增。CPM模塊利用這四組通用I/O端口完成的通訊協(xié)議接口主要如下： （1）2個(gè)ATM UTOPIA接口，可用來(lái)實(shí)現2個(gè)155Mbps ATM SAR。 （2）8個(gè) TDM（時(shí)分復用線(xiàn)）接口，其中2個(gè)TDM接口可以無(wú)縫連接到T3/E3，最高可以提供256個(gè)全雙工64kbps HDLC通道。 （3）3個(gè)MII接口，可用來(lái)實(shí)現3個(gè)10/100Mbps自適應以太網(wǎng)接口。 （4）4個(gè)RS-232串口。 由此可知，MPC82760內嵌了多種通訊處理模塊，可以方便地為用戶(hù)提供一個(gè)全新的系統解決方案來(lái)建立高端嵌入式系統。2 基于MPC8260的PPMC系統 圖2為基于MPC8260的PPMC系統模塊框圖。 注：篇幅所限，VSO在IEEE標準上專(zhuān)門(mén)為PPMC定義的標準插座沒(méi)有畫(huà)出來(lái)，而圖2中，除了連接到兩個(gè)RJ45插座的信號外，其它黑色粗體箭頭代表的信號都必須連到該插座上去。請參閱VSO相關(guān)手冊。 各子模塊的解釋如下： （1）10/100Mbps以太網(wǎng)子模塊接口和RS-232串口子模塊。兩者的實(shí)現都利用了MPC8260的通用I/O管腳。以太網(wǎng)子模塊還包括外接的以太網(wǎng)PHY和以太網(wǎng)變壓器。PHY選用LevelOne公司的970系列芯片。變壓器選用Pulse H1081。以太網(wǎng)MII接口管腳分布如表1所示。表1 以太網(wǎng)MII接口管腳分布 MII信號MPC 8260管腳含 義TxD[0:3]RxD[0:3]CRSCOLTX_ENTX_ERRX_ERRX_DVTxCLKRxCLKPort B B[4:7]Port B B[8:11]Port B B[12]Port B B[13]Port B B[14]Port B B[15]Port B B[16]Port B B[17]Port C C[16]Port C C[19]發(fā)送數據線(xiàn)接收數據線(xiàn)開(kāi)始發(fā)送發(fā)送沖突可以發(fā)送發(fā)送失敗接收到環(huán)幀接收到數據發(fā)送時(shí)鐘接收時(shí)鐘RS-232串口子模塊包含一個(gè)電平轉換器MAX3221。此外，相對一般的9線(xiàn)RS-232接口而言，本系統中無(wú)論是數據接收還是發(fā)送，MPC8260總是處于準備好的狀態(tài)。因而RS-232使用5線(xiàn)接口就可以，串口管腳分布如表2所示。表2 串口管腳分布 信 號管 腳含 義TxDRxDCDRTSCTSPort D D[26]Port D D[27]Port D D[28]Port C C[12]Port C C[13]發(fā)送數據線(xiàn)接收數據線(xiàn)檢測到載波請求發(fā)送可以發(fā)送（2）時(shí)鐘和復位子模塊為系統提供時(shí)鐘信號和復位信號。時(shí)鐘子模塊核心部件為高穩定性66MHz石英晶振。該晶振提供系統基準時(shí)鐘?？紤]到晶振直接帶負載能力有限，時(shí)鐘子模塊中還包含1個(gè)零延時(shí)緩沖器。復位子模塊核心為MAX706芯片，結合后面提到的EPLD，可為系統各器件提供上電復位、硬復位、軟復位等各種復位信號。 （3）Power Span子模塊為PPMC系統提供對外PCI接口，PCI總線(xiàn)工作在33MHz。 （4）EPLD子模塊。因為需要實(shí)現的控制邏輯較多，采用Altera公司的可編程邏輯芯片EPM9510ARC208-10，可以為SDRAM產(chǎn)生時(shí)序信號、讀取接口配置信號、匯總各個(gè)中斷信號、匯總復位信號和時(shí)鐘信號。 （5）SDRAM子模塊。選用4片現代公司的HY57V653220CT SDRAM芯片。
3 硬件實(shí)現的要點(diǎn) 就硬件實(shí)現而言，有幾點(diǎn)需要注意： （1）為以太網(wǎng)和串口分配管腳。如果僅僅是配置一個(gè)MII接口和一個(gè)RS-232接口，有多種實(shí)現方案。但必須考慮到系統功能的可擴展性，盡可能多地預留TDM接口和ATM UTOPIA接口。 （2）PCI橋接和總線(xiàn)仲裁 VSO規定，PPMC系統必須帶有PCI接口。但MPC8260芯片本身不帶PCI接品，因而需要外掛PCI橋接芯片PowerSpan。 PowerSpan是Tundra公司生產(chǎn)的PCI橋接芯片，總線(xiàn)頻率范圍為25～66MHz，支持PCI2.2規范。PowerSpan內部模塊如圖3所示?？梢耘cMPC8260、PowerPC 603e/740/750等PowerPC系列芯片無(wú)縫接合。電氣特性符合VSO PPMC標準。 實(shí)際應用時(shí)，PowerPC 60x總線(xiàn)和PCI總線(xiàn)上都掛二多個(gè)器件，每個(gè)器件都可能需要獲取總線(xiàn)的控制權以便發(fā)起總線(xiàn)操作，因此總線(xiàn)控制權的仲裁十分重要。 就PCI總線(xiàn)布言，采用PowerSpan內嵌的PCI總線(xiàn)仲截器件為整個(gè)PCI總線(xiàn)的仲裁器，應該將PPMC卡標準插座上各組GNT、REQ信號連到PowerSpan相應管腳處。PowerPC 60x總線(xiàn)的情況有點(diǎn)不同，MPC8260芯片和PowerSpan芯片都自帶60z總線(xiàn)仲裁器。從系統的擴展性考慮，采用MPC8260芯片自帶 60x總線(xiàn)仲裁器。因而PowerSpan的PB_BR[1]、PB_BG[1]、PB_DBG[1]等信號必須連到MPC8260芯片對應處。 （3）片選信號和內存分配 MPC8260 60x總線(xiàn)包含32位地址線(xiàn)，可以訪(fǎng)問(wèn)高達4G字節的內存。MPC8260內嵌有一個(gè)內存分類(lèi)控制器，該分類(lèi)控制器提供了多個(gè)片選信號。在本系統中，地址空間分類(lèi)6類(lèi)子空間，如表3所示。表3 內存分配表 60x內存類(lèi)型和片選信號地址范圍含 義PowerSpan Register SpaceMPC8260 Register SpaceBootrom(CS0) D[0:7]Flash (CS1) D[0:15]SDRAM (CS2) D[0:63]PCI Image n(n=1...8)0X30000000～0X30000FFF0XF0000000～0XF001FFFF0XFE000000～0XE0FFFFFF0XE0000000～0XE0FFFFFF0X00000000～0X03FFFFFFMaximum Block Size=2GBMinimum Block Size=64KB4KB128KB1024KB16MB64MB以64位數據線(xiàn)方式訪(fǎng)問(wèn)PowerSpan內部寄存器空間，以及通過(guò)PowerSpan映射的PCI空間。訪(fǎng)問(wèn)二者時(shí)，不需要片選信號。PowerSpan自行判斷60x地址是否指向自身，決定是否回應。 CS0代表的Bootrom空間有著(zhù)特殊含義。根據MPC8260的規定，復位時(shí)，MPC8260自動(dòng)讀取Bootrom中的指令運行啟動(dòng)程序。Bootrom空間是唯一不需要額外配置、MPC8260就可以讀取的子模塊。 相關(guān)配置寄存器包括：MPC8260中的BRn、Orn(n=0，1，2)寄存器、IMMR寄存器以及PowerSpan相關(guān)設置中的Slave Image和Iarget Image。 4 硬件實(shí)現的難點(diǎn) 保證外部PCI器件（沒(méi)有位于PPMC上）通過(guò)PowerSpan高速訪(fǎng)問(wèn)PPMC系統所帶SDRAM內存，是設計上一大難點(diǎn)。圖4是外掛PCI器件時(shí)，內存存取示意圖。 圖4從左向右為Slave Image方向。MPC8260通過(guò)設置PowerSpan的相關(guān)Slave Image寄存器，將外部PCI空間映射到60x空間后，PowerSpan即成為透明橋。MPC8260以60x總線(xiàn)地址訪(fǎng)問(wèn)外部PCI器件，PowerSpan會(huì )自動(dòng)進(jìn)行有關(guān)轉換工作。 圖4從右向左為T(mén)arget Image方向。此時(shí)外部PCI器件要訪(fǎng)問(wèn)PPMC上的SDRAM。通過(guò)設置PowerSpan Target Image中相關(guān)寄存器，將60x總線(xiàn)地址空間的一部分（也就是PPMC上SDRAM對應的60x地址空間中的一段）映射到外部PCI空間上，外部PCI器件就可能以PCI總線(xiàn)地址訪(fǎng)問(wèn)PPMC所帶SDRAM，PowerSpan自動(dòng)進(jìn)行有關(guān)轉換工作。
由此可知，MPC8260和PowerSpan都可成為60x總線(xiàn)的Master，都會(huì )訪(fǎng)問(wèn)SDRAM。從效率考慮，必須允許二者可以猝發(fā)存取SDRAM。 與讀寫(xiě)ROM不同，讀寫(xiě)SDRAM的時(shí)序關(guān)系很復雜，要考慮到多種因素，如SDRAM的刷新問(wèn)題。遺憾的是，就60x總線(xiàn)信號的時(shí)序而言，無(wú)法直接與SDRAM連接。特別是對PowerSpan，沒(méi)有內嵌任何內存控制器，即使MPC8260提供了一些輔助控制信號，也無(wú)法直接連接，因而外部須提供邏輯轉換。就本PPMC系統而言，必須在EPLD內實(shí)現一個(gè)SDRAM控制器，這就是圖4中引入EPLD的原因。 該控制器采用Verilog HDL實(shí)現，可為SDRAM提供一系列符合時(shí)序的控制信號?？刂破骶推浔举|(zhì)而言，是一個(gè)狀態(tài)機。隨著(zhù)外部60x總線(xiàn)輸入信號的變化，該狀態(tài)機在一系列不同狀態(tài)之間轉換，同時(shí)輸出SDRAM控制信號，以及60x總線(xiàn)的回應信號。例如就讀數據而言，隱去刷新等狀態(tài)，狀態(tài)機如圖5所示。 圖6是在觸發(fā)方式下，2-beat讀取數據時(shí)，內存控制器產(chǎn)生的控制信號。此時(shí)，Page Closed、CAS latency為3個(gè)時(shí)鐘周期，Activate to Read interval為2個(gè)時(shí)鐘周期。RAS為控制器輸出的行地址選擇信號，CAS為列地址選擇信號，DQM為字節選擇信號。
5 初始化軟件流程 本PPMC的初始化流程有著(zhù)與RTOS中標準BSP（Board Support Package）要求相同的次序，程序流程如圖7所示。 系統初始啟動(dòng)時(shí)，MPC8260自動(dòng)讀取Bootrom中的指令。Bootrom中最初一段程序采用PowerPC匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，該部分程序必須對系統進(jìn)行基本的初始化工作。其中最重要的是初始化那些與SDRAM有關(guān)的寄存器，以便可以盡快使用SDRAM，從而在其后可以使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序進(jìn)行后繼初始化工作。 本文構建了一個(gè)符合VSO和IEEE標準的PPMC系統，可以為嵌入式系統（特別是通訊用嵌入式系統）提供一個(gè)功能強大、高度模塊化、具體高度可擴展性的微型計算機系統。
linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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