基于MPC8280的智能串口模塊設(shè)計(jì)

摘要：基于MPC8280的智能串口模塊用于擴(kuò)展CompactPCI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的串行通信接口。在模塊設(shè)計(jì)中，通過使用HB6芯片，實(shí)現(xiàn)非透明PCI橋；通過外接收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)PowerPC微處理器自帶的四路RS 422接口。該智能模塊具有單獨(dú)處理能力，在基于CompactPCI總線的系統(tǒng)中既可作主模塊又可作從模塊。該模塊已經(jīng)投入使用，在使用過程中性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：PowerPC；HB6；RS 422；CompactPCI

    隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器的處理能力大幅提升。嵌入式處理器在通信設(shè)備、消費(fèi)電子、軍用電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在軍用電子領(lǐng)域，微處理器的處理速度、功耗及工作溫度更是有嚴(yán)格的要求。
    計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中串口模塊智能化已經(jīng)成為趨勢(shì)，為了能夠更好地對(duì)各種設(shè)備和接口進(jìn)行控制，逐漸開始在模塊中使用微處理器，并移植嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行控制管理。該模塊使用了PowerPC家族中的MPC8280作微處理器，搭配HB6進(jìn)行了非透明橋設(shè)計(jì)，并在本板上移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VXWORKS。

1 硬件設(shè)計(jì)
    智能串口模塊是基于G2處理器MPC8280的6U尺寸CPCI總線模塊，符合PICMIG2．0R3．O。處理器采用Freescale公司MPC8280，主頻450 MHz，最高處理性能885 MIPS，內(nèi)嵌高速緩沖器(指令16 KB，數(shù)據(jù)16 KB)，支持32位整型運(yùn)算及硬件單／雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，最大功耗為2．3W；提供板載64位128 MB SDRAM，64位32 MB FLASH，E2PROM等存儲(chǔ)設(shè)備。
    I／O接口方面提供了四個(gè)串行接口，支持異步／同步方式，支持RS 232／RS 422電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。其中，異步方式的單口最大速率115．2 Kb／s，同步方式的單口最大速率1 Mb／s(實(shí)際性能根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷決定)；提供一個(gè)USB 1．1標(biāo)準(zhǔn)接口，與串行接口4復(fù)用信號(hào)；提供一個(gè)系統(tǒng)控制臺(tái)接口，接口符合串行異步RS 232標(biāo)準(zhǔn)，速率為9 600 b／s；提供兩個(gè)以太網(wǎng)接口，支持10／100 Mb／s及半／全雙工白適應(yīng)，接口定義符合PICMG 2．16標(biāo)準(zhǔn)定義。
    CPCI總線接口采用非透明橋設(shè)計(jì)，使用PCI6254芯片，配置其工作在通用模式下，總線為32 b數(shù)據(jù)寬度，33 MHz總線時(shí)鐘。
    該智能串口模塊最大可提供四個(gè)RS 422接口(可跳線選擇為RS 232)，兩個(gè)10／100 Mb／s及半／全雙工自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，可滿足大多數(shù)軍用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信需求。采用非通明PCI橋設(shè)計(jì)，使之與主板的通信智能化，可應(yīng)用于要求苛刻、環(huán)境惡劣的機(jī)載、車載、艦載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。模塊原理框圖如圖1所示。

1．1 通信接口設(shè)計(jì)
    MPC8280專為串行通信優(yōu)化而內(nèi)嵌通信處理器(CPM)。CPM是一個(gè)32位RISC通信處理器(CP)，有自己的ROM和RAM，存放著自己的微代碼，它可以為需要通信能力的設(shè)備提供一個(gè)靈活、完整的解決方案，同時(shí)降低系統(tǒng)頻率和能耗。CP提供了多個(gè)綜合的通信通道，可以處理低層次的協(xié)議。
    CPM模塊提供的對(duì)外接口如表1所示。[!--empirenews.page--]
    該模塊將4個(gè)SCC設(shè)計(jì)為RS 422通信接口，其中一個(gè)可復(fù)用作為USB接口。將一個(gè)SMC設(shè)計(jì)為一個(gè)RS 232接口，作為調(diào)試控制臺(tái)通信使用，如圖2所示。

    該模塊將兩個(gè)FCC設(shè)計(jì)為10／100Mb／s及半／全雙工自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，如圖3所示。

1．2 非透明PCI橋設(shè)計(jì)
    該模塊在CPCI接口部分采用非透明PCI橋設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)了使用靈活性，很大程度上簡(jiǎn)化了針對(duì)本串口板驅(qū)動(dòng)程序的編寫。針對(duì)該模塊的板級(jí)固件已經(jīng)完成了對(duì)本板上各功能部件的驅(qū)動(dòng)，本板上通信接口由板載的處理器控制，板微處理器通過非透明橋HB6與主板交互信息，并根據(jù)主板信息對(duì)I／O接口發(fā)起訪問。邏輯圖如圖4所示。
    HB6有三種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)透明模式、標(biāo)準(zhǔn)非透明模式、通用模式。通用模式又分為通用非透明和通用透明模式兩種，本板的設(shè)計(jì)使用通用模式下的通用非透明模式。HB6芯片選擇由硬件配置完成，U_MODE拉高表示工作在通用模式；拉高表示工作在工作在通用非透明模式；XB_MEM拉高表示如果工作在非透明模式時(shí)，自動(dòng)開16 MB空間供主板訪問。為S端的復(fù)位輸入，如果該模式下用不到，將其拉高，置在無效狀態(tài)。
    該模塊中，HB6的通信機(jī)制用到直接消息中斷、門鈴中斷和內(nèi)存映射。HB6的P端和S端各開一個(gè)內(nèi)存窗口，經(jīng)過HB6內(nèi)部的內(nèi)存窗口映射機(jī)制映射到對(duì)方可訪問的地址區(qū)域，并可通過映射譯碼寄存器的設(shè)置而變化，從而可使內(nèi)存映射窗口隨意移動(dòng)。
    橋兩端的陰影部分基址可以通過改變Upstrearn或者Dowmstrearn相應(yīng)寄存器的值來進(jìn)行選擇，從而使橋兩端陰影部分的內(nèi)存區(qū)域可以分別在各自的內(nèi)存尋址空間中任意移動(dòng)，使得P端可通過移動(dòng)內(nèi)存窗口訪問S端任意一段內(nèi)存區(qū)域，反之亦然。
    當(dāng)橋的一段需要把數(shù)據(jù)發(fā)送到橋的另一端時(shí)，先將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入可供橋另一端讀取的本地內(nèi)存中，然后引發(fā)橋另一端的消息中斷，以通知其接收數(shù)據(jù)，橋的另一端保持在空閑狀態(tài)，接收到消息中斷后，立即從相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域中讀取數(shù)據(jù)，操作完成后發(fā)門鈴中斷，以通知橋的另一端可以進(jìn)行下一次操作，然后回到空閑狀態(tài)。需要注意的是傳送數(shù)據(jù)的格式必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本模塊的數(shù)據(jù)塊組織方式是前4個(gè)字節(jié)為操作方式，接著4個(gè)字節(jié)為傳送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，該值不包括本身的4個(gè)字節(jié)，后面緊接著存放相應(yīng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)語
    設(shè)計(jì)了基于PowerPC處理器的智能串口模塊，開發(fā)了VxWorks的BSP。使本板可運(yùn)行硬實(shí)時(shí)的Vx-Works操作系統(tǒng)，且在實(shí)際測(cè)試中運(yùn)行穩(wěn)定。該模塊可以作為從板在CPCI體系的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中方便的使用，很大程度上它的智能性簡(jiǎn)化了主板驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，既可以通過HB6橋同系統(tǒng)中的其他模塊通信，又可以通過網(wǎng)絡(luò)與其他模塊構(gòu)成多點(diǎn)通信，在工業(yè)控制、軍用電子設(shè)備、通信設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣泛。