基于MPC8260处理器的PPMC系统（1） 处理器

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摘要：介绍了MPC8260处理器(PowerPC系列)的基本特点，以及一种基于MPC8260、具备高度可扩展性的PPMC硬件实现和软件标准初始化流程。 关键词：嵌入式系统 PPMC PowerPC MPC8260 PCI 伴随网络时代的来临，带宽急刷增长，而新业务要求嵌入式系统具备很强的处理能力，配备高带宽的外围总线。PCI(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连)总线以其优越的性能，成为高端嵌入式系统首选总线。以往嵌入式系统式样众多，硬件模块可重用度低、可互替性差，硬件平台的繁杂使得加载RTOS(实时操作系统)没有规则性可言，极大地延长了研发周期。
鉴于以往嵌入式系统缺点，结合高端嵌入式系统的新要求，VSO(VITA Standard Organization)在IEEE制定的P1386.1标准上，提出了PPMC(Processor PCI Mezzanine Card)概念，目的是确保各个厂家不同的CPU对外拥有相同的PCI接口。它对PPMC插座接口的电气特性、引脚信号、PPMC和其Carrier Board的连接以及PPMC的尺寸作了严格规定，力求在高端嵌入式系统中促进系统模块化。
本文介绍了一种以MPC8260处理器为基础的PPMC实现，构建了一个微型计算机系统。该系统完全符合VSO对PPMC的要求，在嵌入式PCI系统中可以即插即用，并可应用于CpmpactPCI系统中。该PPMC系统处理能力优异(内核最高处理能力可达350MIPS)，带有多种通讯协议处理接口，符合多种RTOS(pSOS、VxWorks等)对其运行平台的要求，且在硬件上满足RTOS的两种主要调试手段(串口调试和以太网调试)，应用开发相当容易。此外，该系统具备高度的现场可扩展性，通过简单的软件配置，可以方便地提供多种通讯协议的前端处理接口。 1 MPC8260处理器简介 PowerPC芯片是由Motorola、Apple、IBM三家公司联合研制的一种RISC处理器，具备超强处理能力，广泛出现在处理器的高端应用场合。Motorola公司考虑到电信和网络市场的特点，在PowerPC芯片的基础上，推出了专为嵌入式系统设计的MPC8260芯片。该芯片内嵌一个 PowerPC 603e内核，有着与PowerPC完全相同的指令集合，并且集成了若干通讯协议处理单元，是目前最先进的专为电信和网络市场设计的微处理器。 MPC8260芯片的功能框图以及外部引脚示意如图1所示。
由图1可知，MPC8260主要包括三部分。第一部分是高性能的PowerPC 603e内核，体系结构与其它PowerPC芯片相同，运行频率为100～266MHz。 第二部分是总线接口。在兼容MPC860局部总线的基础上，MPC8260另外提供了高性能的PowerPC 60x总线。该总线是一种标准总线，32位地址线，64位数据线，支持多PowerPC芯片互连。可以通过简单的寄存器配置来决定采用哪种总线。本系统选用60x总线，总线工作频率为66MHz。 第三部分是通信处理模块CPM(Communication Processor Module)。该模块是MPC8260相对其它处理器的最大优势所在，除了带有一个增强的32位RISC专用通信控制器外，模块中还内嵌有3个 FCC(Fast Communication Controller)、2个MCC(Multiple Channel Controller)、4个SCC(Serial Channel Controller)、2个SMC(Serial Managements Controller)。所有这些控制器都可以用来处理特定的通讯协议。 MPC8260芯片中包括四组通用I/O端口：PA、PB、PC、PD。这四组通用I/O端口与CPM有着密切关系。PA、PB、PC包含32个管脚，PD包含28个管脚。各组端口中的每一个管脚都可以通过软件配置外接不同的信号。例如，管脚PC[2]可以配置为外接以太网MII(Media- Independent Interface)接口的CD信号，也可配置为外接ATM(Asynchronous transfer mode异步传输模式)UTOPIA接口的TXD信号，还可配置为一般的IO信号。
PA、PB、PC、PD四组通用I/O端口的灵活配置，结合内部SCC、FCC、SMC的可配置性，使得CPM的功能得以倍增。CPM模块利用这四组通用 I/O端口完成的通讯协议接口主要如下： (1)2个ATM UTOPIA接口，可用来实现2个155Mbps ATM SAR。 (2)8个 TDM(时分复用线)接口，其中2个TDM接口可以无缝连接到T3/E3，最高可以提供256个全双工64kbps HDLC通道。 (3)3个MII接口，可用来实现3个10/100Mbps自适应以太网接口。 (4)4个RS-232串口。 由此可知，MPC82760内嵌了多种通讯处理模块，可以方便地为用户提供一个全新的系统解决方案来建立高端嵌入式系统。
2 基于MPC8260的PPMC系统 图2为基于MPC8260的PPMC系统模块框图。 注：篇幅所限，VSO在IEEE标准上专门为PPMC定义的标准插座没有画出来，而图2中，除了连接到两个RJ45插座的信号外，其它黑色粗体箭头代表的信号都必须连到该插座上去。请参阅VSO相关手册。 各子模块的解释如下： (1)10/100Mbps以太网子模块接口和RS-232串口子模块。两者的实现都利用了MPC8260的通用I/O管脚。以太网子模块还包括外接的以太网PHY和以太网变压器。PHY选用LevelOne公司的970系列芯片。变压器选用Pulse H1081。以太网MII接口管脚分布如表1所示。 表1 以太网MII接口管脚分布 MII信号 MPC 8260管脚含 义 TxD[0:3] RxD[0:3] CRS COL TX_EN TX_ER RX_ER RX_DV TxCLK RxCLK Port B B[4:7] Port B B[8:11] Port B B[12] Port B B[13] Port B B[14] Port B B[15] Port B B[16] Port B B[17] Port C C[16] Port C C[19] 发送数据线接收数据线开始发送发送冲突可以发送发送失败接收到环帧接收到数据发送时钟接收时钟 RS-232串口子模块包含一个电平转换器MAX3221。此外，相对一般的9线RS-232接口而言，本系统中无论是数据接收还是发送，MPC8260 总是处于准备好的状态。因而RS-232使用5线接口就可以，串口管脚分布如表2所示。 表2 串口管脚分布 信 号管 脚含 义 TxD RxD CD RTS CTS Port D D[26] Port D D[27] Port D D[28] Port C C[12] Port C C[13] 发送数据线接收数据线检测到载波请求发送可以发送(2)时钟和复位子模块为系统提供时钟信号和复位信号。时钟子模块核心部件为高稳定性66MHz石英晶振。该晶振提供系统基准时钟。考虑到晶振直接带负载能力有限，时钟子模块中还包含1个零延时缓冲器。复位子模块核心为MAX706芯片，结合后面提到的 EPLD，可为系统各器件提供上电复位、硬复位、软复位等各种复位信号。 (3)Power Span子模块为PPMC系统提供对外PCI接口，PCI总线工作在33MHz。 (4)EPLD子模块。因为需要实现的控制逻辑较多，采用Altera公司的可编程逻辑芯片EPM9510ARC208-10，可以为SDRAM产生时序信号、读取接口配置信号、汇总各个中断信号、汇总复位信号和时钟信号。 (5)SDRAM子模块。选用4片现代公司的HY57V653220CT SDRAM芯片。