單板計算機設計論文范文

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1硬件設計

1.1時鐘電路PowerPC模塊需要提供時鐘信號供MPC107，VME總線接口電路，以太網接口電路，串口使用，為減少時鐘種類，提高系統工作可靠性，將32MHz作為基本時鐘，該時鐘提供給MPC107使用，在MPC107內部經鎖相環倍頻后產生64MHz時鐘分別供CPU和FPGA使用，MPC107提供3路32MHz的PCI時鐘分別供FPGA，以太網和VME總線接口芯片使用，在FPGA內部將32MHz時鐘分頻為16MHz時鐘供FPGA內部串口邏輯使用。25MHz時鐘供以太網接口電路使用。高頻時鐘信號在源端串接22Ω電阻。

1.2電壓轉換電路PowerPC模塊上的電源要求為MPC755內核電壓為2.0V，允許偏差為5%;PowerPC接口電壓為3.3V;MPC107，FPGA內核電壓為2.5V，允許偏差5%，接口電壓為3.3V;其他芯片均為5V或3.3V。2.0V、2.5V和3.3V的電源變換電路用DC－DC變換器JW1083實現。

1.3處理器電路PowerPC模塊采用MPC755，芯片的最高工作主頻為350MHz，核心頻率設定為256MHz。PowerPC通過橋接器MPC107訪問板內資源。主要集成以下功能塊:超標量處理器、32kB指令Cache和32kB數據Cache、1MB的L2Cache接口、128位寬內部數據通道，64位系統數據總線和L2Cache總線、32位地址線、64位數據線、整型數據類型有8，16和32位、浮點數據類型有32和64位。MPC755的主要特性有:每指令周期可以從指令Cache中取4條指令;每時鐘周期可以開始兩條指令執行;每時鐘周期可同時6條指令執行;大多數指令周期為單周期指令。MPC755有在系統測試和調試特性，JTAG接口可通過相應的硬件工具來測試數據處理。

1.4MPC107橋控制器MPC107PCI橋接器/集成存儲器控制器提供MPC6XX，MPC7XX，MPC74XX處理器到PCI總線的接口。MPC107提供功能有:一個高性能的存儲器控制器，雙處理器的支持，雙通道DMA控制器，一個中斷控制器，一路I2O消息控制器，一路I2C接口和一個時鐘鎖相環電路。MPC107內部有配置寄存器，配置寄存器基地址為0xFEC00000。MPC107主要特性:存儲器接口是32位或64位數據寬度，頻率66MHz，支持SDRAM、8位，32位，64位BOOTROM、支持數據校驗，讀、更改、寫，ECC;處理器接口是處理器總線66MHz，支持第二個處理器、支持MPC6XX，MPC7XX，MPC74XX處理器、支持存儲器一致性、32位或64位數據寬度，32位地址;PCI接口兼容PCI2.1規范，32位PCI接口，操作頻率可達33MHz，提供5個PCI設備的仲裁電路，有校驗支持;還有2通道DMA控制器、消息管理單元、I2C控制器、可編程中斷控制器、集成PCI，SDRAM時鐘產生、可編程存儲器和PCI總線驅動。

1.5存儲器電路CPU模塊上設計有8位BOOTFlash存儲器、64位SDRAM存儲器、64位Flash。CPU模塊上MPC107內部實現PowerPC存儲器控制器，提供地址譯碼、數據處理周期訪問時序、SDRAM時鐘等來訪問存儲器。通過控制MPC107內部的一些寄存器來完成這些功能。PowerPC模塊提供64位寬度的64MB的SDRAM。SDRAM采用4片WED146S8030A實現，供電電壓3.3V，時鐘頻率100MHz。MPC107內置SDRAM存儲器控制器，提供SDRAM的時序控制邏輯，并可提供SDRAM的訪問時鐘，時鐘頻率設計為66MHz。PowerPC和PCI主設備均可訪問SDRAM。地址空間位于存儲器的低端0x0000000—0x03FFFFFF。訪問方式及時序控制可控制MPC107內部的寄存器來實現。啟動Flash采用容量為4MB，按8位工作方式訪問，芯片采用SM29LV256實現，工作電壓為3.3V。支持整片擦寫，扇區寫保護等。每個扇區支持100000次的擦寫周期。Flash操作按Byte方式來訪問和操作。啟動Flash地址分配在存儲空間的高端，地址空間為FFC00000H～FFFFFFFFH。用于PowerPC模塊的啟動，啟動Flash上駐留啟動程序，BIT測試程序，Flash在板編程程序和操作系統。Flash由8片16位存儲器組成，芯片采用國威公司生產的SM29LV256實現，工作電壓3.3V，設計容量256MB。支持整片擦寫，扇區寫保護等。每個扇區支持100000次的擦寫周期，Flash操作按64位操作。Flash存儲器用于用戶程序的儲存。NVSRAM容量32kB，數據寬度8位，芯片采用STK14C88－5C45M實現。

1.6定時器電路和中斷電路MPC107提供4路32位計數器，在定時器計數減至零時產生中斷，可用于系統定時或產生周期總斷。計數器工作時鐘為MPC107供SDRAM的輸入時鐘的1/8，精度±50×10－6;計數器0保留作為系統時鐘，其余3路計數器用作用戶時鐘，定時范圍為121ns～515s。PowerPC模塊上的中斷控制器由MPC107內部集成的可編程中斷控制單元(EPIC)實現，該中斷控制器采用OpenPIC體系結構實現，支持16級串行中斷。中斷控制器可根據中斷源的特點設置中斷的優先級和電平有效方式，中斷的優先級可以通過軟件進行設置。

1.7接口電路接口電路包括以太網通信接口電路、RS232接口電路、LBE總線接口和VME總線接口電路。PowerPC模塊提供1路10/100MB以太網接口，采用Intel82551芯片實現。接口采用RJ45頭雙絞線。10MB以太網雙絞線接口最大傳輸距離為185m。100MB以太網雙絞線接口最大傳輸距離為100m。以太網地址存于Flash中，通過軟件可以進行以太網地址的設定。兩路RS232接口電路采用FPGA邏輯實現，8位數據寬度，按8位方式訪問。提供兩路RS232串行通訊接口，串行接口的工作時鐘采用3.6864MHz，兩路串行接口采用三線制傳輸，用于與開發平臺的通訊，最大速率115kbit•s－1。LBE總線接口采用PCI總線實現，16位讀寫訪問，在FPGA中設計實現PCI－LBE橋邏輯，實現PowerPC模塊對LBE總線其他從設備的訪問。當LBE總線訪問超時(超時周期3.840μs)，報總線超時中斷。模塊采用UniverseII接口芯片實現VME總線接口，UniverseII主要特性包括:實現32位，33MHzPCI總線接口、內部集成大容量FIFO、提供可編程的DMA控制器、60～70MBit•s－1的VME總線傳輸速率、完全的VME總線地址和數據傳輸模式、功能強大的寄存器集、可編程PCI總線和VME總線訪問、完全VME總線系統控制器功能、地址監視器功能和Auto－ID。UniverseII提供VME總線超時定時器，當VME總線超時，報VXBERR有效，結束當前VME總線訪問。在FPGA內部設計實現VME總線接口訪問超時中斷，當訪問周期超過16μs，則總線超時中斷有效，點亮故障燈。

1.8控制邏輯電路控制邏輯由FPGA實現，采用Xilinx公司的XQV300芯片。主要實現以下邏輯控制功能:串行中斷控制邏輯、復位邏輯、看門狗控制邏輯、訪問Flash存儲器邏輯、訪問串口控制邏輯、離散量端口控制邏輯、RS232異步通信邏輯、LBE總線接口邏輯。

2軟件設計

系統軟件是系統硬件與應用軟件之間的橋梁，其為應用程序的開發提供支持。PowerPC模塊系統軟件包括系統引導程序，VxWorks實時操作系統，在板編程程序，PUBIT以及硬件驅動程序等。硬件系統通電后首先執行引導程序，引導程序根據離散量GSE#狀態，判斷顯示維護菜單，或者啟動應用程序，根據離散量DISin0狀態，判斷加載0#區應用程序或加載1#區應用程序。系統加電后在啟動操作系統之前，首先運行加電BIT(PUBIT)，對硬件資源進行檢測。PUBIT只包含產品的檢測，檢測結果存放于NVSRAM中，應用程序可通過函數讀到PUBIT的結果。用戶產品的硬件檢測在應用程序中完成，通過讀取系統軟件提供的PUBIT結果，應用程序可以獲得整個硬件資源的檢測信息。在板編程完成將程序或數據固化到Flash存儲器的功能，在板編程可通過串口實現。在板編程模塊由兩部分程序組成，分別駐留在為目標機和宿主機上，目標機上的程序完成固化數據的接收，Flash存儲器的數據的寫入，固化后數據的校驗，Flash測試代碼和的計算;該部分程序事先固化到系統中，當系統處于編程狀態時，啟動它運行。宿主機上的程序完成固化文件參數的讀取和固化數據的發送工作。

操作系統配置的功能包括:提供標準C/C++支持;提供文件系統以及標準輸入輸出支持;提供硬件初始化、信號量、消息隊列、例外處理等系統內核功能支持;提供系統緩沖區、雙向鏈表以及環型緩沖區等管理支持;提供網絡接口的WDB調試支持;提供核心硬件管理功能，包括系統存儲器、Cache、時鐘、浮點運算、網絡接口等的支持;提供多任務調度管理功能。設備驅動程序分為兩類:一類是操作系統工作必須的硬件資源的設備驅動軟件(BSP)，這些驅動程序必須與操作系統捆綁在一起，由操作系統統一管理;另一類是系統中其他硬件資源的驅動軟件，這些程序獨立于操作系統，以硬件支持庫的形式提供用戶調用。屬于第一類的驅動包括時鐘驅動、中斷控制器驅動、串行調試通訊接口驅動、網絡接口驅動等;屬于第二類的驅動包括Flash存儲器讀寫驅動，VME總線驅動程序，IO模塊驅動程序等。為保證程序的可移植性和兼容性，需保持底層驅動函數接口保持不變。

3結束語

本文介紹了基于PowerPC755芯片的單板計算機。以PowerPC755處理器為核心電路，MPC107為橋芯片，其他功能選用標準接口，高集成度芯片實現，內部總線采用標準32位PCI總線接口，底板總線接口采用標準VME總線接口，LBE總線接口。結構簡單、可靠性高，提高系統整體性能和性價比，有較好的繼承性以及維護方便等特點。

作者：劉冰孫愛中單位：中航工業西安航空計算技術研究所第6研究室