基于MPC755的嵌入式計算機系統設計

　　3. 串口

　　TL16C550是RS-232串口控制芯片，接在RCS1空間，MAX3221是電平轉換芯片。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(xún)模式。在調試的時(shí)候，串口用于輸出調試信息和接收外部命令。在實(shí)際應用中，串口可以作為系統和用戶(hù)的交流窗口，用戶(hù)通過(guò)串口來(lái)掌握或改變系統的運行情況。

　　4. PCI設備

　　本系統中，PCI采用MPC107內部仲裁器，總線(xiàn)工作于33MHz。系統的網(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自適應網(wǎng)口芯片，可減少電路板空間和走線(xiàn)數量。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(xiàn)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)。在本設計中，CF卡主要用于保存應用軟件、用戶(hù)數據備份等。而且，在今后的系統維護和軟件升級中，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。設計選用了SanDisk公司的型號為SDCFB-64-101的CF卡，64M字節容量，幾何尺寸為36.4mm×42.8mm×3mm。 

　　PMC插槽用于擴展PCI插卡，增加系統功能。例如，如果系統需要增加一個(gè)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(shí)鐘

　　M41T81是ST公司生產(chǎn)的一款時(shí)鐘芯片。在本設計中，為系統提供時(shí)鐘，因為在電信、網(wǎng)絡(luò )等許多應用場(chǎng)合，系統必須提供時(shí)間信息。M41T81具有I2C接口，兩種供電模式：在系統上電時(shí)，由電路板上的3.3V電源供電；系統斷電時(shí)，自動(dòng)切換到外接電池供電。電池供電時(shí)的電流很小，僅為1A。

　　地址空間分配

　　在PCI主設備模式下，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(dòng)時(shí)，引腳SDBA0的高低來(lái)決定的，如果為高，則選用Map B，否則，選用Map A。在本系統中，MPC107工作于PCI主設備模式，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(gè)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ROM空間。如表1所示。

        表1：地址空間分配。

　　在本系統中，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(fǎng)問(wèn)地址是8000_0000。

　　設計關(guān)鍵

　　1. 時(shí)鐘

　　時(shí)鐘信號是本設計的一大關(guān)鍵。整個(gè)系統只有一個(gè)時(shí)鐘輸入：OSC_IN，33MHz，輸入到MPC107，經(jīng)過(guò)MPC107的FO緩存產(chǎn)生5個(gè)同步的PCI時(shí)鐘信號，其中3個(gè)PCI時(shí)鐘輸送給PCI設備，1個(gè)保留，另一個(gè)PCI時(shí)鐘作為系統時(shí)鐘(PCISYNC_OUT)，輸送到PLL和DLL(延時(shí)鎖相環(huán))模塊，經(jīng)過(guò)鎖相和倍頻，分別產(chǎn)生CPU時(shí)鐘(CPU_CLK0)、4個(gè)SDRAM(SDRAM_CLKx)時(shí)鐘、和一個(gè)回饋時(shí)鐘(SDRAM_SYNC)。CPU_CLK0輸送給MPC755。

　　MPC107的DLL模塊類(lèi)似于PLL，但是它能夠把一個(gè)時(shí)鐘周期分為128個(gè)離散的間隔。在PCB布線(xiàn)時(shí)，SDRAM時(shí)鐘的走線(xiàn)是等長(cháng)的。DLL檢測SDRAM_SYNC時(shí)鐘從輸出到輸入的時(shí)延，這個(gè)時(shí)延就相當于SDRAM_CLK的時(shí)延。通過(guò)調整SDRAM_SYNC時(shí)鐘的時(shí)延，可以方便地增加或者減少SDRAM_CLK時(shí)鐘的延遲。一般情況下，走線(xiàn)16.5cm相當于時(shí)延1000ps。

　　本設計中，CPU_CLK0走線(xiàn)長(cháng)度、SDRAM_SYNC的走線(xiàn)長(cháng)度和SDRAM_CLK時(shí)鐘的走線(xiàn)長(cháng)度三者相等。PCISYNC_OUT到PCISYNC_IN的走線(xiàn)長(cháng)度和PCICLK的走線(xiàn)長(cháng)度相等。

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

　　2. 高速布線(xiàn)

　　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(xiàn)應該盡可能短，網(wǎng)口的一對輸入信號和一對輸出信號采用差分走線(xiàn)。連接MPC755和二級高速緩存的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)的長(cháng)度盡可能相等，因為要連接二片SRAM芯片，所以采用“Y”形走線(xiàn)方式。SDRAM、L2 Cache的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)也都需要特別注意。如表2所示，所有高速走線(xiàn)，包括PCI走線(xiàn)，都進(jìn)行了阻抗匹配控制。

        表2：重要走線(xiàn)示意。

　　系統啟動(dòng)過(guò)程和調試 

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

        表3：?jiǎn)?dòng)配置引腳及意義。

　　系統的硬件調試借助了Windriver公司的EST7xx系列仿真器。仿真器一端連接PC機，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(fǎng)問(wèn)MPC755和MPC107的內部寄存器，幫助判斷SDRAM和其它器件的故障所在。

　　首先調試PowerPC內核和外部SDRAM，一旦它們工作正常，就可以通過(guò)仿真器下載RTOS，來(lái)輔助硬件調試。為此，筆者選用了Windriver公司的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，VxWorks及其集成開(kāi)發(fā)工具Tornado。然后，調試串口，因為串口相對簡(jiǎn)單。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(guò)串口線(xiàn)建立電路板和PC機的通信機制，繼續調試其它模塊。調試的主要工作量是在MPC107，而不是MPC755。

　　調試結束后，將正確的啟動(dòng)代碼燒制到Flash中，VxWorks和應用軟件燒制到CF卡。因為啟動(dòng)時(shí)中斷入口的基地址為0xFFF00000，而PowerPC處理器啟動(dòng)的中斷向量偏移地址是0x100，所以啟動(dòng)代碼必須燒制在Flash的0xFFF00100地址。系統上電或者硬復位后，MPC755自動(dòng)從該地址讀取指令并執行，步驟如下：

　　PowerPC內核初始化；
　　關(guān)閉所有中斷；
　　初始化SDRAM；
　　初始化MPC755內部的高速緩存；
　　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及應用軟件到SDRAM中；
　　運行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(kāi)中斷；
　　運行應用軟件。

　　Bootrom中最初一段程序采用PowerPC的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，這部分程序完成了對系統的最基本的初始化，其中最重要的是PowerPC內核和SDRAM，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。