基于PowerPC440GP型微控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

　　1 引言

　　PowerPC440GP是IBM公司推出的高性能32位RISC嵌入式處理器，片上集成了PowerPC440內(nèi)核及各種豐富的外圍設(shè)備接口資源，最高速度可達500 MHz，適合應(yīng)用在嵌入式產(chǎn)品諸如交換機、路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等臺式設(shè)備中。本文針對該處理器的特點提出一種針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的較為通用的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方案，并對此方案的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)進行討論。

　　2 PowerPC440GP的特點與性能

　　128位處理器局部總線(PLB)可提供峰值為4.2GB/s的讀寫能力，用來訪問PCI，DDR SDRAM等高性能設(shè)備，采用36位地址路徑，能提供64 GB內(nèi)存尋址能力。

　　32位片上外圍設(shè)備總線(0PB)連接串口、以太網(wǎng)口、外部總線控制器、I2C口等低性能設(shè)備，以提高PLB總線利用率。

　　10位尋址的DCR總線訪問PLB總線上各種主從設(shè)備的狀態(tài)與控制寄存器。

　　擁有64位片上雙倍速率DDR SDRAM控制器，最多可提供4個設(shè)備片選信號。

　　擁有最高頻率133MHz的64位PCI接口。

　　可支持8個外設(shè)的32位外部總線控制器。

　　2個10 MB/s/100 MB/s片上以太網(wǎng)控制器。

　　2個串口和2個I2C口。

　　32個通用輸入輸出口GPIO。

　　13個外部中斷和45個內(nèi)部中斷資源。

　　CPU工作頻率可在400 MHz、466 MHz、500MHz頻率下通過初始化配置選擇，一般功耗小于4W。

　　電源：邏輯電壓為1.8 V，DDR SDRAM接口電壓為2.5V，I/O口電壓為3.3V。

　　3 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方案

　　該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺以PowerPC440GP為核心，進行了必要的擴展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)包含PowerPC440GP處理器及其上電復(fù)位電路、電源電路、系統(tǒng)時鐘電路、DDR內(nèi)存及擴展電路、程序存儲及啟動調(diào)試Flash電路，1個連接在I2C總線上提供啟動配置的EEPROM，用于ICE調(diào)試的JTAG口，以及以太網(wǎng)口、串口等通信接口。

　　3.1 電源電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)共需1.8 V和2.5 V、3.3 V 3種電源，其中由開關(guān)電源為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的3.3 V電源和地平面，選用LP3963ES-2.5型LDO提供2.5 V電壓，該電路的最大負載電流可達3 A，能滿足系統(tǒng)需要。以2.5 V為輸入，選用的TPS77518型DC/DC轉(zhuǎn)換器提供1.8 V電壓，可有效減少二次電源的功率損耗。

　　3.2 CPU時鐘電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用一個33.33 MHz的外部晶體振蕩器連接到CPU的Sysclk引腳作為外部輸入的低頻時鐘源，然后通過初始化配置片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)將外部輸入的低頻時鐘源倍頻，為系統(tǒng)提供高頻系統(tǒng)時鐘。

　　3.3 DDR SDRAM電路設(shè)計

　　由于PowerPC440GP的DDR SDRAM接口具有最高64位數(shù)據(jù)總線和8位ECC糾錯位，所以選用5個HY5DU281622ETP-M作為板上內(nèi)存模塊，該電路結(jié)構(gòu)為8 Mxl6 bits，5個內(nèi)存電路共用1個bankSel0片選空間，其中4個內(nèi)存電路構(gòu)成數(shù)據(jù)總線為64位的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，內(nèi)存容量為64 M字節(jié)，另外1個內(nèi)存電路的低8位用作ECC。還可擴展1個184針的DIMM(必須采用72位的ECC內(nèi)存條)。內(nèi)存模塊各電路及DIMM的時鐘由PowerPC440GP的Memclkout0引腳提供(其頻率等于PLB總線時鐘，一般為100 MHz或133 MHz)。為了保證各器件時鐘同步.引入CY2309時鐘匹配器件，該器件擁有內(nèi)部時鐘鎖相環(huán)，可以將引腳輸出的時鐘信號分成9條相位頻率完全相同的時鐘信號(5條供給芯片，4條供給DIMM)，并且可以避免任一時鐘信號反射對其他時鐘造成的影響。DDRSDRAM模塊采用SSTL-2信號標準，工作電壓為2.5 V。進行布板設(shè)計時要重點考慮Data/DM/DQS等信號線的走線及長度、信號線的端接方法及符合SSTL-2信號要求的端接電壓VTT和輸入?yún)⒖茧妷盒盘朧REF的電路設(shè)計。Data/DM/DQS等信號線應(yīng)盡量采用相同的走線結(jié)構(gòu)并嚴格保持等長。信號線末端的端接推薦使用串并聯(lián)方式，如圖2所示。這里串聯(lián)端接電阻器的阻值一般為22 Ω，并聯(lián)端接電阻器阻值一般為25 Ω，位置應(yīng)盡量靠近信號接收端引腳，可有效減少信號反射和電磁干擾，適應(yīng)更高的時鐘率。對于端接電壓VTT和參考電壓VREF，采用內(nèi)存廠商推薦的ML6554來提供。另外，由于DDRSDRAM電路時序操作的復(fù)雜性，結(jié)合控制器內(nèi)部時序寄存器的配置對這部分電路進行板級仿真是非常重要的。

　　3.4 程序存儲電路設(shè)計

　　由于PowerPC440GP的EBC總線具有32位數(shù)據(jù)線，選擇2個MX29LVl60BTC型Flash器件用以存放BSP、實時操作系統(tǒng)VxWorks和用戶應(yīng)用程序。將Flash的BYTE引腳設(shè)置為高電平，使Flash工作于x16模式。這樣2個Flash共用1個CS0片選空間，構(gòu)成EBC數(shù)據(jù)總線同步訪問的高16位和低16位，容量為4M字節(jié)。由于PowePC440GP采用PowerPC內(nèi)核，即440GP的A31是LSB，A0是MSB，數(shù)據(jù)總線亦然，而Flash的A0和DO皆是LSB，連線時要注意引腳次序。另外，由于Flash是4字節(jié)同步讀取操作，連線時應(yīng)將CPU的地址線左移2位，即最低位A0和Al不用。

　　為了便于系統(tǒng)調(diào)試，可增加1個512 KB的SST39SF040用于BootROM啟動，通過跳線與2個Flash互選CS0片選，這樣系統(tǒng)啟動時會自動從CSO的設(shè)備上讀取啟動代碼。程序存儲模塊如圖3所示。

　　3.5 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

　　用RTL8201BL型網(wǎng)口電路實現(xiàn)Power-PC440GP與100MHz以太網(wǎng)的接口，使用外部25MHz晶體振蕩器，通過16PT8515型網(wǎng)絡(luò)濾波器連接以太網(wǎng)，如圖4所示。由于PowerPC440GP帶有100 MHz以太網(wǎng)MAC，所以能夠?qū)崿F(xiàn)和RTL820lBL的無縫連接。RTL8201BL有2種接口：SNI和MII，本系統(tǒng)采用MII。接口的選擇可以通過設(shè)置MII/SNIB引腳為高電平、正確設(shè)置ANE、SPEED和DUPLEX引腳來實現(xiàn)。MII能夠運行在25 MHz和2.5 MHz頻率，分別為100 MHz以太網(wǎng)和lO MHz以太網(wǎng)支持。數(shù)據(jù)傳輸時，MAC首先判定THEN信號并將8位數(shù)據(jù)改為4位數(shù)據(jù)，再通過TXD[0：3]傳到物理層上，在TXEN信號有效期間，PHY通過傳輸時鐘信號TXCLK對TXD[0：3]上的數(shù)據(jù)進行同步采樣;接收數(shù)據(jù)時，PHY判定接收使能信號來接收RXD[0：3]上的數(shù)據(jù)。

　　3.6 系統(tǒng)啟動配置

　　PowerPC440GP有1個I2C總線啟動配置控制器。當引腳UARTO-DCD#被置為高電平時使能該控制器。選用1個保存有啟動配置信息的AT24C32連接到I2CO接口作為從設(shè)備。當系統(tǒng)上電或者復(fù)位時，該控制器能夠從位于I2C0接口的從設(shè)備中連續(xù)讀取16個字節(jié)。這16個字節(jié)數(shù)據(jù)被保存在4個上電配置寄存器CPC0-STRPO：3中，用來初始化PLL設(shè)置、片內(nèi)各總線時鐘率、啟動位置、啟動寬度及一些用戶定義的配置等。如果讀取數(shù)據(jù)失敗或者引腳UART0-DCD#被置于低電平，則這些配置將全部使用默認值。另一配置引腳UART0-DSR#置高電平或低電平?jīng)Q定了I2C總線從設(shè)備7位地址是0xA0還是0xA8。

　　4 VxWorks的開發(fā)與移植

　　本系統(tǒng)選用Windriver公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其集成開發(fā)工具Tornado。系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試工具采用Windriver公司生產(chǎn)的Vision-Ice仿真器。仿真器一端連接PC網(wǎng)口，另一端連接PowerPC440GP的JTAG接口。開發(fā)時首先調(diào)試PowerPC內(nèi)核和外部DDR SDRAM，一旦工作正常，就可以通過仿真器下載RTOS到內(nèi)存來輔助硬件調(diào)試。然后調(diào)試網(wǎng)口，如果網(wǎng)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)，通過網(wǎng)口線建立電路板與PC的通信機制，調(diào)試其他模塊和開發(fā)應(yīng)用程序。開發(fā)程序完成后，將正確的啟動代碼燒制到BootROM中，由BootROM引導(dǎo)程序通過ftp將VxWorks內(nèi)核與應(yīng)用程序下載燒制到Flash中。

　　VxWorks廣泛流行的重要原因是它的可移植性，通過板級支持包BSP，VxWorks操作系統(tǒng)的應(yīng)用代碼可獨立于硬件。系統(tǒng)移植時只需根據(jù)硬件平臺修改BSP，不需要改變操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

　　5 VxWorks BSP文件結(jié)構(gòu)與開發(fā)流程

　　在VxWorks中，BSP由一組與特定目標系統(tǒng)相關(guān)的文件組成。這些文件包括編譯文件makefile、ROM初始化文件romInit.s、系統(tǒng)初始化文件sysAlib.s、配置文件config.h、目標板定義文件bspname.h、網(wǎng)絡(luò)配置文件configNet.h、系統(tǒng)庫文件sysLib.c、用戶配置文件usrConfig.c、引導(dǎo)配置文件bootConfig.c、引導(dǎo)初始化文件bootlnit.C、串口文件sysSerial.c、以太網(wǎng)接口文件ibmEmacEnd.c等，BSP啟動流程如圖5所示。

　　5.1 建立開發(fā)環(huán)境

　　主要以開發(fā)板CPU的BSP文件為模板，在tornadotargetconfig目錄下創(chuàng)建用戶的BSP目錄bspname，把tornadotargetconfigall下的文件和BSP模板文件拷貝到該目錄下。

　　5.2 修改模板文件

　　5.2.1 makefile

　　該文件通過命令行方式對創(chuàng)建映像文件進行控制，必須定義下列宏：

　　CPU：PowerPC440GP;

　　TOOL：GNU;

　　TGT_DIR：目標板目錄的路徑，使用默認;

　　TARGET_DIR：BSP目錄名，自定義;

　　VENDOR：目標生產(chǎn)商名，IBM;

　　BOARD：目標板名，自定義;

　　ROM_TEXT_ADRS：啟動ROM的入口地址，本系統(tǒng)設(shè)為O×fff80100;

　　ROM_SIZE：ROM大小，本系統(tǒng)為512 KB;

　　RAM_LOW_ADRS：加載VxWorks的目標地址,本系統(tǒng)設(shè)為0x00010000;

　　RAM_HIGH_ADRS：將引導(dǎo)ROM映像復(fù)制到RAM中的目標地址,本系統(tǒng)設(shè)為0x00C00000。

　　5.2.2 BSPname.h

　　該文件根據(jù)PowerPC440GP設(shè)置串行接口、時鐘及I/O設(shè)備等，必須包含以下內(nèi)容：

　　中斷向量/優(yōu)先級別;

　　I/0設(shè)備地址;

　　設(shè)備寄存器各位的含義;

　　系統(tǒng)和附加時鐘參數(shù)(最大和最小速率)。

　　5.2.3 config.h

　　該文件包含定義所有與PowerPC440GP目標板相關(guān)的組件。

　　設(shè)置缺省啟動行

　?。菏褂镁W(wǎng)絡(luò)啟動;

　　RAM地址和大?。旱刂窂?開始，64 MB大小設(shè)置ECC：使能;

　　設(shè)置是否支持MMU和Cache：支持Cache;

　　定時器是否使用外部時鐘：否;

　　串口時鐘定義：使用外部時鐘;

　　串口默認通道：使用通道1;

　　包含網(wǎng)口：支持以太網(wǎng)接口;

　　WDB默認通信方式：網(wǎng)口。

　　另外，注意ROM_TEXT_ADRS，ROM_SIZE，RAM_LOW_ADRS,RAM_HIGH_ADRS必須與makefile中的定義保持一致。

　　5.2.4 romInit.s

　　該文件是一端匯編語言的初始化代碼，其中的romInit()函數(shù)是BootROM和基于ROM的Vx-Works映像的入口。需要做的工作有：

　　將相關(guān)寄存器清零和置位;

　　屏蔽中斷：通過設(shè)置MSR寄存器中的CE位與EE位;

　　關(guān)閉數(shù)據(jù)、指令Cache;

　　初始化EBC總線寄存器：通過對bank寄存器的設(shè)置為EBC總線上的各種設(shè)備分配片選信號與地址空間;

　　初始化內(nèi)存：對DDR SDRAM接口各寄存器進行配置，為板載內(nèi)存與DIMM分配片選信號與地址空間。注意時序寄存器SDRAM0_TRl，SDRAM0_WRDTR等的配置應(yīng)與內(nèi)存模塊的布線仿真結(jié)合起來;

　　初始化堆棧指針;

　　計算romStart()函數(shù)地址，然后跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)執(zhí)行C語言代碼，并不再返回。

　　5.2.5 用戶配置文件usrConfig.c

　　其中的代碼是VxWorks映像的主要初始化代碼，而引導(dǎo)配置文件bootConfig.c中的代碼是bootrom映像的主要初始化代碼。bootInit.c是ROM初始化的第2階段，RomInit()完成后跳轉(zhuǎn)到此文件中的romStart()，該函數(shù)完成ROM映像所需要的解壓縮和重定位工作。以上3個文件一般無須用戶直接修改。

　　5.2.6 系統(tǒng)庫文件syslib.c

　　該文件包含與特定目標系統(tǒng)相關(guān)的庫函數(shù)，這些函數(shù)為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供板級接口，使這些程序與硬件系統(tǒng)無關(guān)。該文件至少包含下列函數(shù)：sysModel，sysBspRev，sysHwInit，sysHwInit2和sys MemTop等，其中sysHwInit是本文件的核心，大部分硬件初始化工作都在這部分完成，本系統(tǒng)也可選擇將包括串口，網(wǎng)口等硬件設(shè)備的初始化入口程序添加到該函數(shù)中，相關(guān)設(shè)備的驅(qū)動程序可作為子文件引入syslib.c。

　　5.3 創(chuàng)建VxWorks映像

　　根據(jù)具體需要在命令行環(huán)境下利用makefile創(chuàng)建各種鏡像，也可以在Tornado集成環(huán)境下在Build菜單里選擇Build Boot Rom來創(chuàng)建各種類型的BootROM。

　　6 結(jié)束語

　　介紹了一種新型高性能嵌入式處理器，并對以這種處理器為核心構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)流程做了詳細說明。鑒于不同處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計具有一定的共性，本文可為其他類型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一定的參考。