基于MPC8548E的嵌入式数据处理系统设计_纪雄飞

2012年10月第5期现代导航·373·基于MPC8548E的嵌入式数据处理系统设计纪雄飞（中国电子科技集团公司第二十研究所,西安710068）摘要：提出了一种基于PowerPC的嵌入式数据处理系统设计方案，该方案以MPC8548E处理器为核心，详细阐述了系统的硬件设计和软件设计流程。关键词：PowerPC；MPC8548E；VxWorks；BSP中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1674-7976-(2012)05-373-06DesignofEmbeddedDataProcessingSystemBasedonMPC8548EJIXiongfeiAbstract:AkindofembeddeddataprocessingsystemdesignbasedonPowerPCispresentedinthepaper.ThechipofMPC8548Ewasusedasthecoreofthesystem.Thehardwaredesignandtheflowofthesoftwareareemphasized.Keywords：PowerPC;MPC8548E;VxWorks;BSP随着科学技术的发展，嵌入式处理器在通信设备、消费电子、军用电子等领域有了广泛的应用，而且对处理器的处理速度、功耗及工作温度都有了更加严格的要求，尤其在军用电子方面的应用。MPC8548E是Freescale公司开发的新一代PowerQUICCIII™系列的高性能处理器。它基于90纳米（nm）的绝缘硅（SOI）铜互连工艺技术，内部工作频率可达1.5GHz，一级缓存有指令缓存和数据缓存各32KB，集成DDR2存储器控制器，支持PCI-E接口、RapidIO接口，提供4个以太网控制器（TSEC）。MPC8548E集成有高性能的e500内核,该内核采用超标量体系结构，在1.5GHz的工作频率时（-40~85℃的温度范围），处理速度可达3065MIPS。MPC8548E同时集成了丰富的外设接口，其强大的功能以及宽温、低功耗的特点为数据处理系统的设计提供了保证。1系统设计本处理系统采用PowerPC芯片作为核心处理收稿日期：2012-08-03。器，用于完成多任务的数据处理功能；FPGA作为逻辑构建单元完成接口转换、时序控制等功能；DSP完成浮点运算、数据融合任务；话音电路部分完成话音信号的D/A、A/D变换。系统具有丰富的外部接口，包括有高速LVDS接口，10M、100M、1000M自适应以太网接口，RS422串口，RS232串口等。系统的构成框图如图2所示。2硬件设计2.1PowerPC设计PowerPC选用Freescale公司的MPC8548E处理器，最大主频1.5GHz（实际降频工作于1GHz）。运行VxWorks操作系统。MPC8548E的系统架构如图1所示。MPC8548E内部集成e500BookE内核，4个片上三速以太网控制器（GMACs）支持10M、100M、和1000M以太网接口，支持DDR2SDRAM，32位PCI2.2总线控制器（最高66MHz），32位PCI-X总线控制器（最高133MHz），32位Localbus总线，最大速率133MHz，方便连接各种FLASH，EPROM，EEPROM，SRAM等；除了以上功能外，MPC8548E·374·现代导航2012年还集成了一个四通道DMA控制器，一个DUART，两路I2C总线接口控制器。图2系统组成框图2.2DDR2内存扩展MPC8548E内部集成了DDR2SDRAM控制器，可以直接进行内存阵列连接和控制，连接关系如图4所示。本处理系统在MPC8548E外部挂接512MByteDDR2SDRAM存储器件作为数据存储器。选用5片MT47H64M16拼接成64bit位宽，其中一片作为ECC。2.3NORFLASH扩展本处理系统通过MPC8548E的LocalBUS接口进行NorFLASH的扩展。由于LocalBUS是地址数据复用信号，因此需要通过74LVT16373器件进行信号锁存，MPC8548Ｅ的LocalAddressLatchEnable(LALE)信号用来对锁存器进行控制，如图5所示。第5期纪雄飞：基于MPC8548E的嵌入式数据处理系统设计·375·图3MPC8548E系统架构示意图图4DDR2SDRAM连接示意图图5NORFLASH扩展示意图NORFLASH选用两片S29GL512P组合成128MByte存储器。·376·现代导航2012年2.4NANDFLASH扩展在本处理系统中，MPC8548与FPGA通过LocalBUS连接，在FPGA内部建立NANDFLASH的接口控制逻辑，PowerPC通过FPGA的控制实现对NANDFLASH的高速数据读写，如图5所示。NANDFLASH选用一片K9WBG08U1M芯片实现8GByte存储器扩展。2.5以太网口扩展MPC8548内部集成了4个以太网控制器，因此只需在芯片外部连接PHY芯片即可实现以太网接口扩展，如图7所示。处理系统使用Marvell88E1145以太网物理层收发器外扩四路10\100\1000M以太网接口。2.6RS232/RS422串口扩展MPC8548Ｅ内部集成了一个2路异步串行通讯（UART）控制器，通过外部连接电平转换芯片实现1路RS232串口扩展作为调试终端；通过LocalBUS连接CPLD和异步收发器实现2路RS232和2路RS422通信串口扩展，如图8所示。处理系统选用MAX3225、MAX3491作为RS232、RS422串口电平转换芯片，选用EPM2210和ST16C654异步收发器实现4路串口的扩展。图6NANDFLASH扩展示意图图7以太网扩展示意图图8串口扩展示意图2.7FPGA设计FPGA在本系统中主要通过建立同步双口RAM与PowerPC进行数据通信，采用EDMA的方式。与外部进行数据通信采用600Mbps的高速LVDS，FPGA内部集成了SERDES高速串行信号收发器硬核，可以方便的调用。FPGA芯片选用XILINX公司Virtex-4系列，第5期纪雄飞：基于MPC8548E的嵌入式数据处理系统设计·377·型号为XC4VLX40。该型号的FPGA芯片集成64个硬核乘法器、2880Kbits的blockram资源、管脚资源丰富。FPGA的程序储存NORFLASH中，通过MPC8548E进行动态加载和更新。2.8DSP设计系统选用TI公司的浮点DSP芯片TMS320C6713，其具有体积小，速度高，功耗低的特点，应用广泛。最高支持300MHz主频，其内核采用超长指令字（VLIW）体系结构，有8个功能单元、64个32bit通用寄存器。一个时钟周期同时执行8条指令，运算能力最高可达到1600MIPS/1200FLOPS，支持双精度的数据类型。DSP的外部存储器接口EMIF对应的CE0空间挂接128MbitSDRAM作为数据存储器；CE1空间挂接64MBFALSH存储器件，用做程序存储空间；EMIF的CE2和CE3空间连接FPGA，作为与FPGA之间的数据通道。4根中断信号连入FPGA。DSP的HPI口连接到FPGA，作为动态加载DSP程序的通道。DSP无工作任务时，可以通过自身程序运行或外部指令写PWRD控制字进入休眠状态以降低功耗。进入休眠模式后，采用中断唤醒方式，由外部指令写入一个唤醒指令到FPGA，FPGA产生一个中断信号唤醒DSP。2.9话音处理设计处理系统根据使用要求，包括4路模拟话音处理通道，每路包括一片A/D、D/A、编解码芯片。连接示意图如图9所示。图9话音处理示意图2.10复位电路设计系统复位方式总共包括有：上电复位、手动复位、软件看门狗复位。采用一片电源管理芯片，在上电和掉电时会自动发出复位信号，复位信号输出接入CPLD。CPLD作为数据处理系统的复位管理芯片，上电复位、手动复位信号和外部复位信号均接入CPLD，CPLD分发到PowerPC、DSP、FPGA等芯片。CPLD内部可实现软件看门狗，结合PowerPC芯片自带的看门狗电路，实现可靠的看门狗复位。2.11电源设计系统电源使用两片LTC3773DC/DC电源转换芯片，可提供三路同步输出，每路最大电流为5A，分别输出系统需要的3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.1V等电压用于给FPGA、DSP、PowerPC等芯片提供完整的供电解决方案。另外，LTC3773输入电压具有较宽的范围，可保证在+5V输入电压在95%-105%范围内时，输出电压保持稳定，以使系统所有器件能正常工作。3系统软件设计系统的软件由三个部分组成：U-BOOT引导代码、BSP板级支持包和VxWorks操作系统映像。首先在BSP基础上生成所需要的VxWorks操作系统映像，系统上电启动U-BOOT引导程序，把引导代码段和VxWorks操作系统映像从Flash拷至SDRAM中，引导代码执行后跳转到VxWorks映像执行。本系统即可从以太网口加载VxWorks映像，也可从FLASH中启动VxWorks映像，操作简单，使得现场调试和软件升级尤为方便。3.1U-BOOT引导软件U-BOOT全称为UniversalBootLoader,是遵循GPL(GeneralPublicLicense)条款的开放源码项目。U-Boot引导软件是系统加电启动后首先执行的软件代码，相当于X86系统中的BIOS软件。在本方案系统中，U-Boot被单独放在启动ROM中，系统会首先在启动ROM里面运行，在进行CPU底层初始化后，将启动ROM中的代码搬运到DDR2·378·现代导航2012年SDRAM中高速运行，对系统进行第二次初始化，以完成一些数据结构、高端模块和系统设备的初始化。3.2BSP板级支持包BSP(BoardSupportPacket)是针对硬件平台编写的介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，它主要功能为底层硬件提供操作系统的硬件驱动，具体功能包括：单板硬件初始化，主要进CPU的初始化，为整个软件系统提供底层硬件支持；为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；定制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；初始化操作系统，为操作系统的正常运行作好准备；系统主要的BSP文件包括：romInit.s：包含加电执行的首个函数romInit()；sysALib.s：类似romInit.s文件，只有加载型的VxWorks执行该文件中的函数sysInit()；sysLib.c：包含对硬件平台所有外部器件初始化函数sysHwInit()和中断挂载函数wInit2()；sysSerial.c：包含串口初始化函数sysSerilHwInit()和中断挂载函数SerialHwInit2()；systemClk.c：包含系统时钟处理函数sysClkConnect()、sysClkRateSet()和sysClkEnable()；IntrInit.c：包含中断控制器初始函数IntrInit()；config.h：包含与CPU相关的宏定义；Makefile：其中定义了一些宏，这些宏必须和config.h中定义的相同；bootInit.c：包含内存搬移函数romStart()；configAll.h：包含所有VxWorks参数的设置；bootConfig.c：包含引导代码执行的usrInit()和usrRoot()函数；usrConfig.c：包含VxWorks系统执行的usrInit()和usrRoot()函数；3.3VxWorks操作系统及开发环境VxWorks是美国WindRiverSystem公司推出的一个实时操作系统，具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境。VxWorks以其稳定的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，主要特点表现在可靠性高、实时性强、裁减灵活、移植方便等方面。Tornado是VxWorks的开发调试环境，提供了丰富的调试、仿真环境和