基于PowerPC440GP型微控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)；PowerPC440GP；VxWorks BSP；BootROM
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(dá)500 MHz，適合應(yīng)用在嵌入式產(chǎn)品諸如交換機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等臺(tái)式設(shè)備中。本文針對(duì)該處理器的特點(diǎn)提出一種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的較為通用的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)此方案的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)進(jìn)行討論。
2 PowerPC440GP的特點(diǎn)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(gè)設(shè)備片選信號(hào)。
擁有最高頻率133MHz的64位PCI接口。
可支持8個(gè)外設(shè)的32位外部總線控制器。
2個(gè)10 MB/s/100 MB/s片上以太網(wǎng)控制器。
2個(gè)串口和2個(gè)I2C口。
32個(gè)通用輸入輸出口GPIO。
13個(gè)外部中斷和45個(gè)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(jì)方案
該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺(tái)以PowerPC440GP為核心，進(jìn)行了必要的擴(kuò)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(shí)鐘電路、DDR內(nèi)存及擴(kuò)展電路、程序存儲(chǔ)及啟動(dòng)調(diào)試Flash電路，1個(gè)連接在I2C總線上提供啟動(dòng)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(jì)
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(fù)載電流可達(dá)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(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用一個(gè)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(shí)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(shí)鐘源倍頻，為系統(tǒng)提供高頻系統(tǒng)時(shí)鐘。
3.3 DDR SDRAM電路設(shè)計(jì)
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(cuò)位，所以選用5個(gè)HY5DU281622ETP-M作為板上內(nèi)存模塊，該電路結(jié)構(gòu)為8 Mxl6 bits，5個(gè)內(nèi)存電路共用1個(gè)bankSel0片選空間，其中4個(gè)內(nèi)存電路構(gòu)成數(shù)據(jù)總線為64位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，內(nèi)存容量為64 M字節(jié)，另外1個(gè)內(nèi)存電路的低8位用作ECC。還可擴(kuò)展1個(gè)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(shí)鐘由PowerPC440GP的Memclkout0引腳提供(其頻率等于PLB總線時(shí)鐘，一般為100 MHz或133 MHz)。為了保證各器件時(shí)鐘同步．引入CY2309時(shí)鐘匹配器件，該器件擁有內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)，可以將引腳輸出的時(shí)鐘信號(hào)分成9條相位頻率完全相同的時(shí)鐘信號(hào)(5條供給芯片，4條供給DIMM)，并且可以避免任一時(shí)鐘信號(hào)反射對(duì)其他時(shí)鐘造成的影響。DDRSDRAM模塊采用SSTL-2信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓為2.5 V。進(jìn)行布板設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮Data/DM/DQS等信號(hào)線的走線及長度、信號(hào)線的端接方法及符合SSTL-2信號(hào)要求的端接電壓VTT和輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)VREF的電路設(shè)計(jì)。Data/DM/DQS等信號(hào)線應(yīng)盡量采用相同的走線結(jié)構(gòu)并嚴(yán)格保持等長。信號(hào)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(hào)接收端引腳，可有效減少信號(hào)反射和電磁干擾，適應(yīng)更高的時(shí)鐘率。對(duì)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(shí)序操作的復(fù)雜性，結(jié)合控制器內(nèi)部時(shí)序寄存器的配置對(duì)這部分電路進(jìn)行板級(jí)仿真是非常重要的。
3.4 程序存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)
由于PowerPC440GP的EBC總線具有32位數(shù)據(jù)線，選擇2個(gè)MX29LVl60BTC型Flash器件用以存放BSP、實(shí)時(shí)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(gè)Flash共用1個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)512 KB的SST39SF040用于BootROM啟動(dòng)，通過跳線與2個(gè)Flash互選CS0片選，這樣系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)從CSO的設(shè)備上讀取啟動(dòng)代碼。程序存儲(chǔ)模塊如圖3所示。
3.5 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)
用RTL8201BL型網(wǎng)口電路實(shí)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(shí)現(xiàn)。MII能夠運(yùn)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(shí)，MAC首先判定THEN信號(hào)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(hào)有效期間，PHY通過傳輸時(shí)鐘信號(hào)TXCLK對(duì)TXD[0：3]上的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣；接收數(shù)據(jù)時(shí)，PHY判定接收使能信號(hào)來接收RXD[0：3]上的數(shù)據(jù)。
3.6 系統(tǒng)啟動(dòng)配置
PowerPC440GP有1個(gè)I2C總線啟動(dòng)配置控制器。當(dāng)引腳UARTO-DCD#被置為高電平時(shí)使能該控制器。選用1個(gè)保存有啟動(dòng)配置信息的AT24C32連接到I2CO接口作為從設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)，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(gè)字節(jié)。這16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)被保存在4個(gè)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(shí)鐘率、啟動(dòng)位置、啟動(dòng)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(rèn)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(shí)時(shí)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(shí)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(jī)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(dòng)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(jí)支持包BSP，VxWorks操作系統(tǒng)的應(yīng)用代碼可獨(dú)立于硬件。系統(tǒng)移植時(shí)只需根據(jù)硬件平臺(tái)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(biāo)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(biāo)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(dòng)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 ornado argetconfig目錄下創(chuàng)建用戶的BSP目錄bspname，把 ornado argetconfigall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(duì)創(chuàng)建映像文件進(jìn)行控制，必須定義下列宏：
CPU：PowerPC440GP；
TOOL：GNU；
TGT_DIR：目標(biāo)板目錄的路徑，使用默認(rèn)；
TARGET_DIR：BSP目錄名，自定義；
VENDOR：目標(biāo)生產(chǎn)商名，IBM；
BOARD：目標(biāo)板名，自定義；
ROM_TEXT_ADRS：啟動(dòng)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(jí)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(shí)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(biāo)板相關(guān)的組件。
設(shè)置缺省啟動(dòng)行：使用網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)；
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(shí)器是否使用外部時(shí)鐘：否；
串口時(shí)鐘定義：使用外部時(shí)鐘；
串口默認(rèn)通道：使用通道1；
包含網(wǎng)口：支持以太網(wǎng)接口；
WDB默認(rèn)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(duì)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(hào)與地址空間；
初始化內(nèi)存：對(duì)DDR SDRAM接口各寄存器進(jìn)行配置，為板載內(nèi)存與DIMM分配片選信號(hào)與地址空間。注意時(shí)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(jì)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(gè)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(biāo)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(jí)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(dòng)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(duì)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(jì)和軟件開發(fā)流程做了詳細(xì)說明。鑒于不同處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。
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