摘  要： 隨著新一代飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備綜合化、智能化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的處理能力需求越來(lái)越高。借鑒國(guó)外高性能嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種基于高性能處理器PowerPC8640的通用處理模塊，并對(duì)部分功能單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、集成度高、高速外部串行總線接口等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，目前該模塊已經(jīng)應(yīng)用于多種機(jī)載電子設(shè)備中。

關(guān)鍵詞： PowerPC8640；通用處理；嵌入式處理；ASAAC結(jié)構(gòu)

0 引言

　　隨著新一代戰(zhàn)機(jī)的出現(xiàn)和戰(zhàn)技指標(biāo)需求的不斷攀升，機(jī)載航電設(shè)備作為航空電子產(chǎn)品中的重要一員，其功能和性能也要得到不斷的完善和提高，同時(shí)體積和重量卻要求不斷減小，以滿足戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)需求。功能的完備和性能的提高帶來(lái)了大量數(shù)據(jù)的處理需求，需要高性能的處理器完成相關(guān)的任務(wù)，體積和重量的減少要求產(chǎn)品上的器件密度越來(lái)越高。本文主要介紹基于PowerPC8640處理器的高性能高集成度的通用處理模塊的設(shè)計(jì)，它采用通用化設(shè)計(jì)思想、標(biāo)準(zhǔn)的ASAAC結(jié)構(gòu)以及可配置性的設(shè)計(jì)，可用于多種機(jī)載電子系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)概述

　　本文所描述的通用處理模塊是基于PowerPC8640高性能處理器，設(shè)計(jì)采用兩片PowerPC8640，周邊配置有存儲(chǔ)器（包括DDR2、Flash和NvRAM）、看門狗、高速RapidIO接口、高速串行接口、CAN總線、離散量接口、422接口、485接口、溫度監(jiān)控、RTC和調(diào)試接口等資源。模塊設(shè)計(jì)采用兩塊印制板，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　模塊的結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的ASAAC結(jié)構(gòu)，模塊盒體尺寸（不包括連接器）為233.4 mm×160mm×24mm，散熱方式為傳導(dǎo)散熱，通過(guò)模塊的鎖緊條傳導(dǎo)到機(jī)箱進(jìn)行散熱。

2 模塊平臺(tái)介紹

　　2.1 PowerPC8640處理器簡(jiǎn)介

　　PC8640屬于PowerPC的處理器，目前已在國(guó)外數(shù)據(jù)處理與信號(hào)處理中采用。一片PC8640中提供1個(gè)e600內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1.25 GHz，e600內(nèi)核提供1 MB的高帶寬、低延遲的L2 cache，設(shè)計(jì)中主頻設(shè)為1 GHz。

　　PC8640有兩個(gè)64位的DDR2控制器接口，最高工作頻率533 MHz。PC8640處理器使用e600核和高速內(nèi)部互連技術(shù)來(lái)平衡處理器的性能與I/O系統(tǒng)的吞吐率。

　　PC8640配置了兩種靈活的高性能I/O接口。一種是×1、×2、×4、×8 PCI Express接口，采用PCI-E總線實(shí)現(xiàn)板級(jí)高性能設(shè)備的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連；另一種是1×、4×線串行RapidIO接口，由于RapidIO總線具有軟件開(kāi)銷小、配置簡(jiǎn)單、硬件糾錯(cuò)等特點(diǎn)，且支持存儲(chǔ)器映射和包傳輸機(jī)制，非常適合作為底板接口。

　　PC8640還配置了4個(gè)以太網(wǎng)控制器，支持10 Mb/s，100 Mb/s和1 000 Mb/s速率通信。每個(gè)以太網(wǎng)控制器可以轉(zhuǎn)換為FIFO模式實(shí)現(xiàn)高效ASIC互連。

　　此外PC8640還配置有UART接口、中斷控制器、DMA控制器、GPIO等資源[2]。

　　設(shè)計(jì)采用兩片PC8640處理器，每片處理器的存儲(chǔ)器資源、調(diào)試接口、溫度檢測(cè)、RTC資源獨(dú)立，其他資源如離散量、422接口、485接口等資源是共用的。

　　2.2 其他資源設(shè)計(jì)

　　模塊的存儲(chǔ)器包括DDR2存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器和NvRAM存儲(chǔ)器。PC8640對(duì)外提供DDR2接口和HLP總線接口。PC8640的DDR2接口外接64位數(shù)據(jù)寬度的1 GB的DDR2 SDRAM；PC8640的HLP總線接口外接Flash和NvRAM。

　　PC8640對(duì)外提供兩路I2C總線，分別連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘和溫度監(jiān)測(cè)芯片，提供RTC和溫度監(jiān)測(cè)功能。

　　PC8640對(duì)外提供調(diào)試接口，包括串口、以太網(wǎng)接口和JTAG接口，用于處理器以及軟件的調(diào)試。

　　處理器PC8640集成兩個(gè)高速串行I/O接口（Serdes1和Serdes2），設(shè)計(jì)中將每個(gè)處理器的兩個(gè)Serdes接口設(shè)置為×4 PCI-E模式和×4 RapidIO模塊。Serdes1接口連接處理器和高速串行接口，用于實(shí)現(xiàn)高速串行接口通信控制，接口為PCI-E總線；Serdes2接口連接處理器和RapidIO交換芯片，接口為RapidIO總線。RapidIO交換芯片配置為3個(gè)4×RapidIO接口，10個(gè)1×RapidIO接口。4×RapidIO接口其中2路接處理器，1路引到底板；1× RapidIO接口10路引到底板上。

　　高速串行接口實(shí)現(xiàn)2路，其中一路協(xié)議處理采用固定的邏輯版本；另外一路協(xié)議處理根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需要，可通過(guò)處理器控制加載不同的邏輯版本。兩路高速串行接口的傳輸介質(zhì)為光接口，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換芯片連接到底板連接器。

　　422、485接口采用IP核在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，處理器通用HLP總線控制422、485接口的收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　模塊對(duì)外提供5路CAN總線接口，采用協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)，CAN總線接口掛在處理器控制FPGA下，接口采用SPI接口。

　　模塊對(duì)外提供多路差分的TTL輸入輸出信號(hào)、多路LVDS輸入輸出信號(hào)、多路LVTTL輸入輸出信號(hào)、多路MLVDS輸出信號(hào)以及多路Aurora總線接口。

　　底板連接器為帶光纖接口的數(shù)字連接器，A腔包含2芯光纖接口和135芯低頻接觸件，B腔包含252芯低頻接觸件。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　3.1 高速接口重加載設(shè)計(jì)

　　由于本文設(shè)計(jì)的是通用處理模塊，高速串行接口也要適應(yīng)多種機(jī)載電子設(shè)備，不同設(shè)備的配置共包括：2路高速串行接口、1路雙余度的高速串行接口、1路單余度的高速串行接口等。高速串行接口的邏輯規(guī)模很大，因此將高速串行接口設(shè)計(jì)為2路，一路可重加載，另一路為固定的邏輯。下面說(shuō)明高速串行接口重加載的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　加載控制電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　加載控制、狀態(tài)信號(hào)采用3.3 V電壓，通過(guò)處理板FPGA控制，輸出給CPLD，實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯重加載的控制。加載控制信號(hào)通過(guò)3個(gè)控制離散量分別表示3個(gè)不同邏輯狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)指示邏輯重載開(kāi)始，通過(guò)處理器控制。加載控制時(shí)序如圖3所示。

　　加載及控制流程說(shuō)明如下：

　　（1）處理器的控制FPGA和CPLD中，重加載設(shè)計(jì)默認(rèn)狀態(tài)都為001，CPLD上電后固定加載PROM0中的邏輯；

　　（2）處理器啟動(dòng)后，根據(jù)系統(tǒng)要求，首先判斷加載的默認(rèn)狀態(tài)高速串行接口邏輯是否為系統(tǒng)所需要的，如果是，則處理器不再發(fā)起重加載，如果不是，則先設(shè)置加載控制離散量狀態(tài)（每位設(shè)置為“1”，表示加載對(duì)應(yīng)位的PROM中的邏輯；為“0”，表示不加載），然后將加載控制離散量置位為“1”，啟動(dòng)加載，此時(shí)處理器軟件檢測(cè)邏輯加載狀態(tài)信號(hào)，在該信號(hào)為“1”后，表示加載完成，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化；

　?。?）CPLD在加載控制信號(hào)的上升沿啟動(dòng)加載，通過(guò)控制FPGA的Program_B信號(hào)控制邏輯重載[3]；

　?。?）CPLD在完成邏輯加載后（判斷FPGA給出的Done信號(hào)為“1”），處理器發(fā)起邏輯復(fù)位操作，在復(fù)位結(jié)束后，將加載完成狀態(tài)離散量置位為“1”；

　　（5）處理器軟件在判斷邏輯加載完成，將加載控制信號(hào)重新置位為“0”，以便于下次可用于邏輯重載。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　由于設(shè)計(jì)的是通用處理模塊，在軟件方面也需要滿足多種機(jī)載電子設(shè)備的要求。處理器、存儲(chǔ)器資源、接口資源在不同設(shè)備中是相同的，軟件也完全相同。而高速串行接口在不同的設(shè)備中有不同的需求，驅(qū)動(dòng)不同，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到多種設(shè)備中使用同一款軟件，需將不同的高速串行接口驅(qū)動(dòng)固化在Flash的不同地址，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備需求，加載相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)如下：模塊加電后，處理器需到Flash取指令，初始化模塊，引導(dǎo)運(yùn)行操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序。因此在模塊初始化完成后，設(shè)置選項(xiàng)，通過(guò)不同的參數(shù)選擇不同軟件驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需求。如參數(shù)設(shè)置為0，模塊操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，加載第一種設(shè)備的高速串行接口驅(qū)動(dòng)以及其他驅(qū)動(dòng)，這樣應(yīng)用程序啟動(dòng)后可直接調(diào)用相關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。如果參數(shù)設(shè)置為1，模塊操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，加載第二種設(shè)備的高速串行接口驅(qū)動(dòng)以及其他驅(qū)動(dòng)，參數(shù)設(shè)置為2，加載第三種設(shè)備的高速串行接口驅(qū)動(dòng)以及其他驅(qū)動(dòng)。該參數(shù)固定在Flash中，不會(huì)隨著模塊下電而消失，用戶只需要設(shè)置一次，下次模塊上電后，會(huì)根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)加載相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，如需改用其他設(shè)備，只需要修改一次參數(shù)即可。

4 結(jié)論

　　本文結(jié)合高性能的PowerPC8640處理器的特征，設(shè)計(jì)了一種雙處理器的通用處理模塊，對(duì)外提供高速串行接口、CAN總線、RapidIO總線、422接口、485接口、多種形式的離散量接口以及處理器的調(diào)試接口，高速串行接口可適用于多種電子設(shè)備。該模塊設(shè)計(jì)的目的是為了滿足新一代飛機(jī)多種機(jī)載設(shè)備的需要，與系統(tǒng)中其他設(shè)備進(jìn)一步綜合，使機(jī)載設(shè)備整體性能達(dá)到最優(yōu)，該模塊具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 湯艷飛，文敏華.基于MPC8640D處理系統(tǒng)的技術(shù)研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2012，42（1）：120-122.

　　[2] Freescale Semiconductor， Inc. MPC8640DRM[EB/OL].  （2008-07-xx）[2014-10-31].http：//www.freescale.com.

　　[3] Xilinx， Inc. Virtex-5 FPGA Data Sheet[EB/OL]. （2008-07-xx）[2014-10-31].http：//www.xilinx.com.