MPC755是Freescale公司開發(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為核心的嵌入式計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、主要芯片、地址空間分配、實現(xiàn)難點，以及系統(tǒng)的調(diào)試方法和啟動過程。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，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等。
伴隨著信息化時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對帶寬的需求越來越高，而新業(yè)務(wù)要求嵌入式系統(tǒng)具備更強的處理能力。本文以MPC755為核心，構(gòu)建了一個功能強大、高度模塊化、實時性強、具備高度可擴(kuò)展性的嵌入式計算機系統(tǒng)，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等眾多場合。因為MPC755具有并行執(zhí)行數(shù)條指令、簡單指令的快速執(zhí)行、流水線操作等優(yōu)點，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(實時操作系統(tǒng)，如VxWorks、嵌入式Linux等)對其運行平臺的要求。
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個獨立的執(zhí)行單元(2個整數(shù)單元、1個加載/存儲單元、1個雙精度浮點單元、1個系統(tǒng)寄存器單元和1個跳轉(zhuǎn)處理單元)，在一個時鐘周期內(nèi)最多可以同時執(zhí)行6條指令。
MPC755內(nèi)嵌了獨立的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(二級高速緩存)控制單元最大可外接1M字節(jié)SRAM，用作二級高速緩存?？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，性能高達(dá)733MIPS。MPC755還包含了一個性能監(jiān)視器、一個遵循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)見圖1)。
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)時鐘通過SYSCLK0引腳輸入，經(jīng)過PLL電路倍頻，產(chǎn)生內(nèi)核時鐘，即主頻。引腳PLL_CFG[0:3]在系統(tǒng)上電時的配置值(本設(shè)計中是0b'1010) 決定了倍頻系數(shù)。
系統(tǒng)總體設(shè)計
MPC755的接口擴(kuò)展主要依賴于主/PCI橋－－MPC107。MPC755本身只外接了二級緩存，以提高系統(tǒng)性能。而其它接口都從MPC107引出，包括一個串口，一個10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口，I2C口等。串口和網(wǎng)口符合多種RTOS對運行平臺的要求，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)用開發(fā)相當(dāng)容易。PMC槽使系統(tǒng)具備較強的現(xiàn)場可擴(kuò)展性，可滿足不同的應(yīng)用需求。
1. MPC107
MPC107是Freescale公司開發(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)部集成了存儲器控制器、DMA控制器、可編程中斷控制器、4個定時器、I2C控制器、消息單元(I2O)、PCI仲裁器、看門狗電路、動態(tài)電源管理單元，PCI總線性能監(jiān)視單元、JTAG接口等。
存儲器控制器共有12個片選空間，其中8個RAM片選空間，CS[0:7]。每個片選空間的時序可編程，可支持FPM DRAM、EDO DRAM或SDRAM，最大可外接1GB RAM。另4個是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)。因為系統(tǒng)啟動時，必須從RCS0上的設(shè)備讀取啟動代碼，因此，F(xiàn)lash的片選連接到RCS0上。
At24C04是512字節(jié)的EEPROM，通過I2C總線連接到MPC107，用于存儲系統(tǒng)信息，例如，產(chǎn)品名稱、版本號、網(wǎng)口的物理地址等。
二級高速緩存選用了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位是校驗信號。芯片的最高頻率為200MHz。二級高速緩存的使用極大地提高了系統(tǒng)性能，使MPC755如虎添翼。
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。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，因為在電信、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1(A。
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。
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<
