基于CPCI總線的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(wěn)定可靠。
關鍵詞：CPCI總線；RISC微處理器；現場可編程門陣列

0 引言
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線標準，近年來應用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線PCI發(fā)展而來，既有PCI總線的高帶寬、高性能、即插即用、價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性。CPCI總線在33MHz時鐘、32位數據寬度的條件下可達到峰值132MB／s的帶寬，在66MHz時鐘、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(其半導體部門現在分拆為Freescale公司)聯盟共同設計的。PowerPC技術以RISC(精簡指令集計算機)為基礎，該技術由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強RISC)體系結構而來。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，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、以太網口及PMC擴展接口)功能模塊、CPCI總線(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(wěn)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開關電源模塊實現主供電電源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電源的新型架構，它顯著地簡化了電源設計工作。它具有很多優(yōu)秀的特點：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時鐘延遲電流模式，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。主處理器通過橋接器MPC107訪問板內資源。
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多處理器(SMP)結構和引入了一流的Alti-Vec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，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，每個時鐘周期最多可以執(zhí)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。通過加入AltiVec技術，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(wěn)定性。
MPC7410提供了兩種總線模式：60X總線模式和MPX總線模式，不同的總線定義的信號也有所不同?？偩€的選擇，可通過MPC7410的EMODE信號來選擇，當EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r也為高電平，則選擇了60X總線。反之，當EMODE信號在HRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r為低電平，則選擇了MPX總線。由于60X總線具有優(yōu)秀的連接性能和高數據傳輸速率，在本設計中采用60X總線作為MPC7410和芯片組的連接。
此外，還可通過對MPC7410的PLL信號設置產生不同的內核頻率，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。