基于CPCI总线的PowerPC主处理板设计

2．2．4．1 SDRAM
在本设计中，SDRAM用于存放操作系统临时数据以及应用程序的数据和代码，为程序的运行和保存临时文件提供空间。SDRAM的管理由me-mory控制器来实现。桥接器PC107提供了高速SDRAM控制器，数据宽度配置为64位。PC107的SDRAM接口特点：SDRAM器件必须与SDRAM的JEDEC规范兼容，32位和64位数据可选宽度，支持页面式访问，支持8个物理bank，最大支持1GB的存储大小。本设计中SDRAM的总容量为512MB，总线时钟设计为100MHz。
由于SDRAM时钟总线的频率较高，为了提高模块的抗干扰能力和电磁兼容性，在PCB布局布线，包括走线长度、布线路径、阻抗匹配、线长线宽及间距等方面提出严格要求，并且在PCB制作前期通过仿真对信号完整性进行分析，确保电路的可行性。
2．2．4．2 FLASH
本设计中FLASH分为系统FLASH和应用FLASH。系统FLASH地址分配在存储空间的高端，用于系统的启动，系统FLASH上驻留BootRom引导程序、上电BIT测试程序、FLASH在板编程程序及操作系统。容量为4MB，8位数据宽度。应用FLASH用于储存应用程序，总容量为256MB，64位数据宽度。
2. 2. 4．3 NVSRAM
NVRAM是非易失存储器，用于存放系统重要信息，32kB存储容量，8位数据宽度。
2．2．5 复位
主处理板硬件复位包括两种：a．上电复位：外部电源5V电压低于4．65V时，该主处理板处于复位状态，外部电源5V电压高于4.65V后，产生大于200ms复位，复位整个硬件，同时驱动CPCI总线复位信号；b．手动复位输入：由外部手动复位引起，复位整个硬件，同时驱动CPCI总线复位信号。
2．2．6 看门狗
主处理板具有看门狗功能，当看门狗功能失效后，产生看门狗中断，上电默认为禁止。在FPGA内部设置看门狗使能寄存器，可以通过软件使能或禁止看门狗，看门狗定时器报警后产生中断。看门狗定时周期由硬件设置。
2．2．7 FPGA
FPGA主要负责系统的复位、中断管理和相关接口的时序和逻辑控制。本设计采用Xilinx的Virtex系列芯片，该系列FPGA片内含有丰富的寄存器／锁存器、同步、异步置位／复位信号、锁相环等。这款FPGA有30万门，260个IO管脚，满足设计要求。使用FPGA的另一个显著优点是可以不断地完善程序，进行实时在线编程。
2．2．8 定时器
PC107内部提供4路32位定时器，定时时钟为PC107的输入时钟的1／8，精度±50ppm：时钟中断输入到处理器。其中定时器1作为操作系统定时时钟，其它3路定时器作为应用程序操作时钟，可通过软件对其进行设置，最小定时周期为1ms。
2．3 外围接口功能模块
2．3．1 以太网接口
主处理板提供10MB／100MB自适应的快速以太网接口，该以太网接口的设计基于桥接器PC107控制的PCI总线，基本框图如图2所示。主要由以太网控制器、网络隔离变压器和RJ45三部分组成。其中以太网控制器采用Intel公司的高集成度、高性能、低功耗10／100Mbps快速以太网控制芯片，专用于局域网到桌面的解决方案，如作为服务器、个人计算机和移动平台的入网接口，符合LOM(LAN On Motherboard)设计规范。以太网控制器通过片上的命令和状态寄存器经由PCI总线和处理器MPC7410通信，包含了MAC控制器和物理层接口，可工作在半双工模式和全双工模式。

以太网控制器通过网络隔离变压器驱动RJ45网线接口，用来支持10／100BASE-T，实现与外界通信。
2．3．2 RS232串口
RS232串口的使用使本设计更具通用性，可以和具有相同类型串口的设备进行通信。主处理板提供两路RS232串行接口，用于与开发平台的通讯，串口部分通过EXAR公司的UART通讯控制器来实现，它带有16字节的FIFO和半双工控制，最大传输速率1．5Mbps。
2．3．3 PMC扩展接口
主处理板支持2个64bit／66MHz的PMC扩展接口，该接口满足PCI2．2规范，可根据不同的系统需求进行扩展，如千兆网卡、数据采集卡、显卡、电子盘等，使系统应用更加灵活。
2．4 CPCI总线功能模块
主处理板基于CPCI总线，CPCI总线的电气特性与PCI总线相同。目前CPCI已经取代VME以及STD工业标准，成为工业界的新一代标准。主处理板遵从Eurocard工业标准，定义了6U(233．35mm×160mm)板尺寸，CPCI板连接器共有5个插座，J1～J5。规范定义了J1和J2的信号线
管脚，J3～J5为自定义插座，如图3所示。

本设计中用PLX公司的PCI-to-PCI桥芯片实现CPCI总线接口。该芯片提供标准的33MHz～66MHz的PCI总线接口，支持32位／64位PCI设计，该芯连接PCI设备不需要额外的驱动电路和逻辑，可直接和主处理板内部PCI信号直接连接。

3 底层软件
主处理板移植性能稳健的VxWorks操作系统，它对很多设备提供支持，且设备驱动程序都采用模块化设计，各模块之间功能明确、接口规范。
主处理板的底层软件由两个部分组成：BootRom引导代码和VxWorks操作系统映像。系统上电先启动BootRom引导程序，然后把引导代码段和数据段从Flash拷至SDRAM中，引导代码执行后跳转到VxWorks映像执行。本系统采用网口加载VxWorks映像，这种启动形式有独特优点，能适应硬件，方便调试和现场升级等。
BootRom引导代码固化在主处理板的Flash上，作用是将主处理板的最小系统启动起来，以完成加载和执行VxWorks映像的目的。BootRom相对于VxWorks映像来说功能比较简单，大小易于控制。BootRom成功运行后，启动了保护模式和文件系统支持，驱动了网络、串口等辅助设备，消除了硬件环境对程序映像的限制，使得VxWorks应用程序的制作和加载变得自由随意。

5 结束语
CPCI总线是高速同步共享总线，基于此标准总线结构的主处理板设计采用高性能的RISC微处理器MPC7410，并且移植VxWorks操作系统，保证了基于CPCI总线的主处理板的稳定性和可靠性。此外，主处理板还提供多种标准接口，能方便实现对系统中其他扩展板如以太网卡、数据采集卡、显卡、电子盘等的系统控制、管理及信息交换，提高系统性能。本主处理板现已应用于某型号显控处理机，它还适用于任何CPCI总线系统，可在声呐、雷达、显控等军用或民用信号处理领域发挥作用。