基于CPCI总线的PowerPC主处理板设计

摘要：介绍了嵌入式系统中使用的基于CPCI总线的PowerPC主处理板的设计方法，以目前广泛应用的G4系列RISC微处理器MPC7410作为核心处理器，以PC107作为控制器，PCI6150作为PCI-to-PCI桥，加上FPGA控制电路构成硬件平台，并移植VxWorks作为操作系统。提供多种标准接口，支持扩展功能，性能稳定可靠。
关键词：CPCI总线；RISC微处理器；现场可编程门阵列

0 引言
Compact PCI(简称CPCI)总线是“PCI总线工业计算机制造商组织”推出的一种工业计算机总线标准，近年来应用发展最为迅速。它由PC机上的通用总线PCI发展而来，既有PCI总线的高带宽、高性能、即插即用、价格低廉等诸多优点，又有无源背板总线VME总线的可靠性。CPCI总线在33MHz时钟、32位数据宽度的条件下可达到峰值132MB／s的带宽，在66MHz时钟、64位数据宽度的条件下可达到峰值528MB／s的带宽。
PowerPC是1993年IBM、Apple和Motorola公司(其半导体部门现在分拆为Freescale公司)联盟共同设计的。PowerPC技术以RISC(精简指令集计算机)为基础，该技术由IBM的POWER(性能优化的增强RISC)体系结构而来。PowerPC中的PC代表Performance Computing，PowerPC即超强的高性能计算处理器。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特点，主要应用于嵌入式系统。

1 系统结构
主处理板的系统结构框图见图1。主要由四部分组成：电源转换功能模块、PowerPC功能模块、外围接口(RS232串口、以太网口及PMC扩展接口)功能模块、CPCI总线(PCI-to-PCI桥)功能模块。

2 硬件设计
2．1 电源转换功能模块
电源设计在整个硬件设计中非常重要，好的电源设计才能保证主处理板正常稳定的工作。硬件上设计有4种电源：主供电电源5V(由外部提供)，PowerPC7410内核电压1．8V，桥接芯片PC107内核电压2．5V，各芯片I／O电压3．3V。
采用LINEAR公司的DC／DC开关电源模块实现主供电电源5V到1．8V、2．5V和3．3V的电压转换，每路最大输出电流10A。该DC／DC电源模块代表了一种面向负载点电源的新型架构，它显著地简化了电源设计工作。它具有很多优秀的特点：高功率、高效率、尺寸小、重量轻、散热性能好等，除此之外，它还具有的一项独特性能是其无时钟延迟电流模式，从而令其能够对负载电流的快速变化迅速做出响应。
2．2 PowerPC功能模块
2．2．1 处理器
处理器采用飞思卡尔公司的PowerPC处理器MPC7410。主处理器通过桥接器MPC107访问板内资源。
MPC7410是G4系列的高性能处理器，G4在G3的基础上在性能上有很大提高，主要表现在支持对称多处理器(SMP)结构和引入了一流的Alti-Vec技术来处理矢量运算。AltiVec技术是一个128位的SIMD矢量处理引擎，为第四代PowerPC提供了卓越的处理性能，使其数据处理能力有了数量级的提升。
MPC7410内部主频最高为500MHz，每个时钟周期最多可以执行8条指令，其中包括4条矢量运算(AltiVec)指令和2条整型指令。通过加入AltiVec技术，处理能力达到了4G FLOPS。而1．8V的低电压操作大大降低了芯片的功耗，容易散热，从而大大提高了系统的稳定性。
MPC7410提供了两种总线模式：60X总线模式和MPX总线模式，不同的总线定义的信号也有所不同。总线的选择，可通过MPC7410的EMODE信号来选择，当EMODE信号在HRESET信号变为高电平时也为高电平，则选择了60X总线。反之，当EMODE信号在HRESET信号变为高电平时为低电平，则选择了MPX总线。由于60X总线具有优秀的连接性能和高数据传输速率，在本设计中采用60X总线作为MPC7410和芯片组的连接。
此外，还可通过对MPC7410的PLL信号设置产生不同的内核频率，本设计中处理器的外部频率为100MHz，采用5倍的频率系数，即处理器主频为500MHz。
2．2．2 L2 Cache
MPC7410处理器支持L2 Cache，内部集成了L2Cache接口控制器，提供L2 Cache接口的总线时序控制电路，通过处理器内部L2 Cache控制器可以访问Cache存储器。主处理板上实现了总容量为2MByte的L2 Cache，数据宽度为72位，其中8位为校验位，64位为数据位。
2．2．3 桥接器
桥接器PC107是为PowerPC专门设计的桥芯片／存储器控制器，主要实现PowerPC到PCI的桥接功能，同时管理memory，可以运行在高达133MHz的处理器总线频率。PC107提供其他嵌入式应用必需的功能：处理器总线接口、PCI总线接口、存储器控制器、智能输入／输出信息控制器、I2C控制器、嵌入式可编程中断控制器(EPIC)、双通道集成DMA控制器、时钟控制部分等。根据在电路中所起的作用不同，PC107的工作方式可分为host mode和agent mode两种。在host mode模式中，由PC107管理存储器和PCI总线部分，PowerPC为整个系统的主CPU。在agent mode模式中，PC107用于和PCI主桥通信，PowerPC作为一个PCI设备，受PCI主桥的管理。本设计中PC107的工作方式为host mode。
2．2．4 存储器
主处理板上设计有SDRAM存储器、系统FLASH存储器、64位用户FLASH存储器和NVSRAM存储器。其容量配置见表1。