基于PowerPC的單板計算機的設計

摘要: 本文主要介紹了基于PowerPC G4系列的低功耗、多數(shù)據(jù)并行處理的單板機的設計方法,討論了硬件設計中需要注意的事項和VxWorks 環(huán)境下BSP的調(diào)試方法,高度的擴展性和豐富的接口設計使得系統(tǒng)有較好的應用價值。

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，嵌入式處理器在通信設備、消費電子、軍用電子等領域有了廣泛的應用，而且對處理器的處理速度、功耗及工作溫度都有了更加嚴格的要求，尤其在汽車電子、軍用電子等方面的應用。

PowerPC 體系結構是一種精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結構，具有高性能和低功耗的特點，主要應用在嵌入式系統(tǒng)中，可以作為單板計算機，進行高性能計算和圖像處理。

在PowerPC 家族中，現(xiàn)在應用最為廣泛的是G4 系列, G4 對G3 的重大改進有兩個，第一是支持對稱多處理器（SMP）結構，第二是G4 引入了一流的AltiVec 技術來處理矢量運算。

AltiVec 技術是一個128 位的SIMD 矢量處理引擎，據(jù)Motorala *估可以使性能提升到原來的4.3 倍。

本文以PowerPC G4 主機處理器為例，介紹標準6U 高度CompactPCI 單板計算機的硬件設計以及實時操作系統(tǒng)VxWorks 的BSP 開發(fā)過程。

2 單板計算機硬件開發(fā)

單板計算機的整體框圖如圖1 所示。

整個單板的設計分為三個部分：電源模塊，PowerPC 部分和通信接口部分。其中PowerPC 部分和外圍接口以PCI 總線為分界線，PowerPC 部分包括PowerPC、host bridge、SDRAM 和FLASH。

外圍接口包括網(wǎng)口、串口、通過PCI 總線擴展的接口和擴展的二級PCI 總線。網(wǎng)口和串口在開發(fā)階段用于單板和開發(fā)主機通信，并能在單板嵌入操作系統(tǒng)后作為多個單板之間的通信接口?？驁D中PowerPC 沒有指定具體的型號，可以選擇IBM 的如PPC750， 也可以選擇Freescale的如PowerPC G4 系列的MPC74XX，host bridge 可以選擇MARVELL 公司的MV64360 或MV*60。用戶可以根據(jù)的不同需要選擇相應的組合。

2.1 電源模塊的設計

電源是任何一個電路系統(tǒng)至關重要的部分，所有的信號傳輸都是基于準確而穩(wěn)定的電源基礎上的。CPCI 連接器提供的電源有5V、3.3V、12V 和-12V，整個單板上需要的電源有多種：主電源5V、PowerPC 的內(nèi)核電源、host bridge 內(nèi)核電源、DDR SDRAM 電源和其余I/O總線電源3.3V。對電流需求大，電源穩(wěn)定性要求高的，應采用可編程的DC/DC 控制芯片完成電源的轉換。

電源模塊的PCB 布板也要進行小心處理， 主要有以下幾個方面需要注意。

a) 放置去藕電容：隨著一定數(shù)量的去藕電容被放置在板上，電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產(chǎn)生，還可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問題。為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)的制造成本，應考慮如何經(jīng)濟有效地選擇去藕電容的系統(tǒng)布局。

b) 降低電源供電系統(tǒng)的阻抗：一個低阻的電源供電系統(tǒng)(從直流到交流)是獲得低電壓波動的關鍵：減少電感作用，增加電容作用，消除或降低那些諧振峰是設計目標。為達到此目標應降低電源和地板層之間的間距； 增大平板的尺寸；提高填充介質的介電常數(shù)；采用多對電源和地板層。

2.2 PowerPC 部分

PowerPC 部分包含PowerPC12，host bridge，DDR SDRAM，SRAM 和Flash。此部分是整個單板計算機的核心，電路設計調(diào)試難度也最大PowerPC12 和DDR SDRAM 部分速度較快，電路設計要注意PCB 布線選擇合適的拓撲結構和布線策略, 以保證信號完整性。

a) 拓撲結構的靈活應用

在 PCB 設計中常用的拓撲結構有菊花鏈拓撲和星形拓撲。要根據(jù)不同的情況采用不同的拓撲結構。

一般而言，對于多負載的總線系統(tǒng)常采用菊花鏈拓撲，并在最遠端的負載處進行適當?shù)慕K結。菊花鏈拓撲的優(yōu)勢在于易于進行阻抗控制，端接簡單，網(wǎng)絡的布線長度短，布線較為方便，只要各個接收器在接收信號時間上的差別在允許的范圍內(nèi)就可以采用菊花鏈拓撲進行布線（這也說明菊花鏈拓撲不適用于高速系統(tǒng)），注意要讓菊花鏈的分支線盡量短。Local bus 上的外設我們是用的此種拓撲結構，local bus 上有Flash、DDR SRAM、SRAM 等外設。

星形拓撲一般在時鐘網(wǎng)絡或對信號同步要求高的網(wǎng)絡中應用，其共同點就是要求各接收器在同一時刻收到驅動端發(fā)來的信號，星形拓撲的布線難度比菊花鏈拓撲的要大，占用空間也大。實際的星形拓撲會存在端接傳輸線分支，驅動器與公共節(jié)點間存在傳輸線分支，這些都會劣化信號，所以在設計星形拓撲一般需要仿真，以保證信號的完整性。

PowerPC12（U1、U2）和host bridge（U3）采用星形拓撲結構，其后仿真圖形如圖2 所示，基本滿足信號完整性。時鐘電路采用星形拓撲結構，一個晶振作為host bridge的輸入基準時鐘，其余時鐘都由host bridge 來提供。另外 PLL 要選擇合適的參數(shù)配置，使得芯片和電路穩(wěn)定運行。

b) 嚴格的等長布線要求

在SDRAM 設計時，要注意調(diào)整管腳SDRAM_SYNC_OUT 和SDRAM_SYNC_IN 之間的布線長度，使得SDRAM 數(shù)據(jù)相對時鐘的建立時間和保持時間得到很好的滿足。PCI 部分的時鐘要注意管腳PCI_SYNC_OUT 和PCI_SYNC_IN 之間的布線長度和PCI_CLK 相同。

2.3 通信接口部分:

通信接口實現(xiàn)人-機、機-機之間的信息交互和數(shù)據(jù)的傳輸，無論是在系統(tǒng)調(diào)試，還是在系統(tǒng)應用中都非常重要。如圖1 所示，host bridge 集成了兩個串口和3 個千兆網(wǎng)控制器，通過外接串口和網(wǎng)口的收發(fā)器設計用戶所需的通訊接口。

串口和網(wǎng)口在開發(fā)過程中起著重要的作用。利用串口，通過超級終端或其它終端軟件，可以看到調(diào)試過程中的打印的信息，以幫助調(diào)試；利用網(wǎng)口，可以通過網(wǎng)絡下載文件或者掛載文件系統(tǒng)。

此外，host bridge 提供兩組PCI 總線，可以通過PCI 擴展一些外設接口如IDE、USB、網(wǎng)絡等，可以根據(jù)需要進行相應的擴展。同時可以擴展出PMC 接口，連接標準的PMC 設備。另外，選擇一組PCI 總線，通過PCI to PCI bridge 將其引到J1 和J2，可以與外設板相連，便于系統(tǒng)的擴展，或者在對系統(tǒng)運算處理能力要求較高而希望功耗在比較理想范圍內(nèi)的高端應用場合，可以讓兩個或者兩個以上的處理器以多處理器的方式協(xié)同工作，組成不同的多機系統(tǒng)。

3 VxWorks BSP 開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，需要在硬件設計完成后嵌入操作系統(tǒng)才能進行上層程序的開發(fā)。VxWorks 是美國風河公司推出的一個實時操作系統(tǒng)，它是專門為實時嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，它強大而且比較復雜的操作系統(tǒng)，包括了進程管理，存儲管理，設備管理，文件系統(tǒng)管理，網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等幾個部分，但只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。在系統(tǒng)開發(fā)過程中一項重要的工作內(nèi)容是開發(fā)板級支持包BSP(Board Support Package)。

3．1 BSP 的概述

BSP 由頭文件、源文件、makefile 文件和派生文件組成。它集成了與硬件相關的軟件和部分硬件無關的軟件，提供VxWorks 訪問硬件的驅動程序和相關設備的初始化操作，能對CPU、目標機和系統(tǒng)資源等進行初始化。在初始化過程中，不但對CPU 內(nèi)部狀態(tài)寄存器、控制寄存器、高速緩存進行設置，為上層軟件系統(tǒng)提供硬件環(huán)境的支持，而且為操作系統(tǒng)正常運行進行資源初始化。

3．2 調(diào)試過程

系統(tǒng)設計時采用Bootrom 加VxWorks 的方式，這種啟動形式有其獨特優(yōu)點，如適應硬件、方便現(xiàn)場調(diào)試等。系統(tǒng)采用的調(diào)試工具是Wind River 公司的調(diào)試軟件visionCLICK 及仿真器Wind River ICE。具體步驟如下圖 所示：

(1) 系統(tǒng)連接

連接好仿真器和目標板。主要是電源、串口、JTAG 口。

(2)打開超級終端

上電后，用仿真器的串口連接電腦的RS 232 串口，打開超級終端，按下仿真器的復位鍵，在超級終端可看到仿真器的相關信息。主要看IP Address，主機(host)的IP 的地址要和仿真器的IP 地址在同一IP 段，在超級終端可運行help 命令，可看到各種命令，均可運行。運行eth-setup命令可更改仿真器的IP 地址。

(3) 新建工程

打開 visionCLICK，新建工程，按照提示設置，主要有：configuration file，symbolfile，download file 和sourcepath，其他的選項默認，生成bootrom uncmp．a(chǎn)b

(4)程序下載、調(diào)試和修改

連接仿真器，下載，運行。提示無誤后，可觀察各窗口的寄存器，內(nèi)存等單元的值，進試，如有錯誤，修改源代碼，重新開始編譯、下載，直到完全正確為止。

（5）網(wǎng)絡調(diào)試

BootROM 調(diào)試完后，把目標板的以太網(wǎng)口和主機的網(wǎng)口相連，VxWorks 會自動從網(wǎng)口引導，把編譯好的VxWorks 加載到目標板，進行調(diào)試。

（6）程序固化和脫機運行

最后全部完成后，把BootROM 和VxWorks 都固化到目標板上，以便脫機運行。

4 結束語

本文作者創(chuàng)新點：選擇PowerPC G4 系列開發(fā)單板機，易于控制整板的低功耗，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流并行處理；同時系統(tǒng)豐富的接口設計和標準的CPCI 結構，便于系統(tǒng)的擴展和組建多機系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，該種計算機在消費電子、通信設備、工業(yè)控制和軍用電子等領域均有良好的應用前景。