楊 濤 李成文 劉 宇 何小亞

（中國航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

機載PowerPC系列高性能處理器模塊硬件設(shè)計

楊 濤 李成文 劉 宇 何小亞

（中國航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

文章首先介紹了典型的高性能處理器并重點介紹了PowerPC系列的處理器，然后介紹了基于PowerPC系列高性能處理器的數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計的技術(shù)總方案，最后通過一個具體的硬件模塊的設(shè)計來詳細說明機載PowerPC系列高性能處理器模塊的硬件實現(xiàn)。

開發(fā)式綜合化；可配置性；可測試性

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 向著高技術(shù)、高性能的目標發(fā)展。航空電子系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)歷了分立式結(jié)構(gòu)，集散式結(jié)構(gòu)，集中分布式結(jié)構(gòu)等幾個階段，目前正處于第四個發(fā)展階段即開放式綜合化階段。第三代戰(zhàn)斗機后期局部綜合和第四代戰(zhàn)斗機高度綜合化的要求對數(shù)據(jù)處理能力提出了很高的要求，以傳統(tǒng)1750A、80386、80486為核心處理器模塊不能適應(yīng)這種需求。因此，為了滿足我國第四代飛機航空電子系統(tǒng)和現(xiàn)役飛機改進改型對高速數(shù)據(jù)處理能力的迫切需求，提出了高性能數(shù)據(jù)處理功能模塊的研制任務(wù)。

1 典型高性能處理器

目前，比較有影響的RISC處理器產(chǎn)品有Compaq公司的Alpha、MIPS公司的MIPS、HP公司的PA-RISC、Sun公司的Sparc和IBM公司的Power PC。 這5種RISC處理器性能都很高，具有各自的優(yōu)勢，但綜合考慮到PowerPC處理器在嵌入式系統(tǒng)和軍事領(lǐng)域應(yīng)用情況良好以及PowerPC架構(gòu)的處理器具有可伸縮性好，方便靈活的特點，而且PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，有眾多的廠商支持，應(yīng)用范圍非常廣泛，因此高性能處理器模塊使用PowerPC系列處理器具有更多的優(yōu)勢。

機載環(huán)境是一種典型的嵌入式應(yīng)用環(huán)境，新一代機載計算機對于微處理器的處理能力、實時性和測試能力都有極高的要求。PowerPC系列處理器中的8xxx系列、60x系列和7xx系列、74xx系列均為強處理能力的嵌入式處理器。其中 7xx系列、74xx系列是PowerPC系列處理器中的高性能處理器，7xx系列為第三代高性能的處理器，它與第四代高性能的處理器PowerPC 74xx保持代碼和引腳兼容，PowerPC G3和G4系列數(shù)據(jù)處理比較如表 1。因此選擇以 PowerPC750、PowerPC755、PowerPC7410為核心來研制新一代機載高性能處理器模塊。

國外DY4、THALES、PENTEK、SPECTRUM、RADSTONE為代表的公司較早研制出以PowerPC系列處理器為核心的高速數(shù)據(jù)處理功能模塊，形成了以VME為主的底板總線、結(jié)構(gòu)尺寸為3U、6U的標準PowerPC系列高性能處理器模塊，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在B-1、F-16D、F/A-18、JSF、AV-8B、GDIS、F22等許多戰(zhàn)機以及NASA航天飛機上。

機載PowerPC系列高性能處理器模塊主要研究數(shù)據(jù)處理模塊的可配置技術(shù)、高速設(shè)計技術(shù)、模塊小型化等等設(shè)計技術(shù)，目標是研制出一組可配置、可測試、可升級的高性能數(shù)據(jù)處理系列化模塊以及配套的軟件和開發(fā)工具，為第四代飛機航空電子系統(tǒng)和第三代飛機航空電子系統(tǒng)綜合提供功能較強的數(shù)據(jù)處理系列模塊。

表1 PowerPC G3 G4比較

2 技術(shù)總方案

PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊研制目標是為機載電子系統(tǒng)提供高性能的軍用計算機以及良好的軟件開發(fā)環(huán)境，因此產(chǎn)品應(yīng)適應(yīng)機載環(huán)境，提供實時系統(tǒng)所需要的特殊功能。除此之外，產(chǎn)品盡可能通用化，不局限于某個具體的型號，也不局限于某個具體的子系統(tǒng)。

PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計的核心在于機載數(shù)據(jù)處理機體系結(jié)構(gòu)的研究，軟件開發(fā)平臺的建立以及南橋北橋芯片的使用設(shè)計等技術(shù)。國外提供的PowerPC北橋芯片只有商用器件，高性能的軍用芯片經(jīng)常被國外控制甚至禁運；軍用數(shù)據(jù)處理和商用的數(shù)據(jù)處理機要求有差異；嵌入系統(tǒng)設(shè)計要求小型化?；谏鲜鲈虼_立了以下設(shè)計原則：

a.設(shè)計系列化的數(shù)據(jù)處理模塊；

b.提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力；

c.產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)具有通用性，并具備功能擴展能力；

d.提供實時系統(tǒng)所需的特殊功能，如看門狗，超時中斷等；

e.開發(fā)集成南北橋的邏輯電路；

f.提供多級中斷及例外處理能力；

g.提供軟件開發(fā)環(huán)境包括（實時操作系統(tǒng)、BIT、驅(qū)動）；

h.提供適應(yīng)機上供電環(huán)境的電源。

根據(jù)上述設(shè)計原則，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，筆者確立了以下研究方法和實現(xiàn)方案。

2.1 模塊可配置性研究

在以前的實踐中，模塊化、通用化的最大困難是由于傳統(tǒng)的SRU模塊的組裝密度不夠，僅能夠安裝模塊功能所必須的元器件，不能覆蓋大多數(shù)應(yīng)用對資源的需求，而且沒有擴充余地，導致模塊通用化程度的降低，從而給通用模塊的推廣造成困難。如何使模塊的功能最大程度地滿足不同應(yīng)用的要求、對模塊進行合理的劃分、采用何種接口結(jié)構(gòu)是模塊研制的關(guān)鍵所在。

可配置是通過設(shè)計技巧，實現(xiàn)模塊了容量、性能、功能的可配置性。筆者采用了以下幾種方法提高系統(tǒng)的可配置性：

a.采用可編程器件；

b.采用背板結(jié)構(gòu)；

c.采用跳線；

d.采用兼容器件；

e.采用開放式標準。

2.2 模塊可測試性研究

PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊大量采用BGA和表帖封裝，組裝密度非常高，給模塊調(diào)試、測試、維修帶來很大麻煩。因此在模塊設(shè)計是必須對模塊的可測試性進行研究。模塊測試主要手段是軟件BIT，因此要考慮BIT 對系統(tǒng)綜合的支持、硬件電路的可測試性設(shè)計等方面的內(nèi)容。

可測試性是最后要落實到電路設(shè)計上，采用以下設(shè)計能有效提高電路測試性：

a.硬件可讀狀態(tài)點；

b.寄存器可回讀；

c.特殊的可測試電路；

d.對外部接口設(shè)置回繞測試支持；

e.測試電路要求考慮軟件層進行故障檢測,如超時，看門狗電路等；

f.設(shè)置故障隔離，減少故障蔓延；

g.可以設(shè)計專門的測試總線，如IEEE 1149.5。

2.3 模塊高速電路設(shè)計研究

設(shè)計高性能處理器模塊必須突破了高速電路設(shè)計的技術(shù)難關(guān)，對外頻超過100MHz的數(shù)字部分進行準確分析和設(shè)計。研究以下內(nèi)容：

a.信號完整性分析和電路設(shè)計的關(guān)系；

b.關(guān)系元器件選型，印制板層疊關(guān)系，布局布線等；

c.信號完整性和生產(chǎn)的關(guān)系；

d.要求進行信號完整性分析后，指導我們的模塊材料選用，誤差控制等工作；

e.高速信號的測試問題。

2.4 模塊三化研究

計算機系統(tǒng)的通用化、系列化、模塊化一直是軍用機載計算機系統(tǒng)追求的目標，是降低研制費用和維修費用，提高作戰(zhàn)能力的重要技術(shù)途徑。

我們設(shè)計高性能處理器模塊要使硬件資源和軟件配置通用化，方便系統(tǒng)維護和產(chǎn)品升級的一致性。形成以下幾個系列的標準模塊：

a.結(jié)構(gòu)尺寸：以3U、6U、1/2ATR、3/4ATR、PMC尺寸的系列模塊；

b.底板總線：以LBE總線、VME總線、CPCI總線，PCI總線為接口的標準模塊。

3 模塊硬件設(shè)計實例

3.1 模塊組成

PowerPC 系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊采用MPC750/755/7410處理器,存儲器控制器/PCI橋接器采用Motorola 公司的MPC107。

PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊基本上包括以下功能塊：

a.復(fù)位電路；

b.時鐘電路；

c.供電電路；

d.看門狗電路；

e.中斷電路；

f.RTC電路；

g.定時器；

h.處理器PowerPC750/755/7410；

i.L2高速緩存；

j.PCI總線橋及存儲器控制器MPC107；

k.存儲器系統(tǒng)：SDRAM，USER Flash?，SYSTEM Flash?，NVRAM；

l.離散量I/O；

m.TRACE32接口；

n.以太網(wǎng)接口；

o.串行調(diào)試接口；

p.底板總線接口電路。

圖1是PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 PowerPC系列高性能數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件配置

3.2.1 處理器

處理器是采用 MPC755，其最高工作頻率為 400MHz。處理器的工作頻率可由跳線設(shè)置，工程樣機中其工作頻率設(shè)計為300MHz。

考慮數(shù)據(jù)處理模塊處理器的可升級性，設(shè)計MPC750/755/7400/7410處理器向上兼容，工作頻率范圍為200MHz～500MHz。

3.2.2 存儲器

數(shù)據(jù)處理模塊上設(shè)計有 L2 Cache 、SDRAM存儲器、SYSTEM FLASH存儲器、USER FLASH存儲器和nvSRAM存儲器，其配置見表2 。

表2 數(shù)據(jù)處理模塊存儲器配置

3.2.3 時鐘電路

數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計了3.3V 25MHz 、3.3V 33MHz、3.3V 64MHz、5.0V 64MHz四種時鐘。

25MHz時鐘用于以太網(wǎng)電路。

33MHz輸入到MPC107上，由MPC107產(chǎn)生5路33MHz同步時鐘供PCI設(shè)備使用，MPC107內(nèi)部實現(xiàn)時鐘鎖相環(huán)電路,經(jīng)MPC107中的DLL產(chǎn)生4路66MHz同步時鐘供SDRAM使用, 另外產(chǎn)生1路66MHz同步時鐘供MPC750處理器使用。

64MHz使用 2種電壓（3.3V和 5.0V）的時鐘 ，5.0V 64MHz時鐘固定給VME總線接口芯片UNIVERSEII使用，3.3V 64MHz時鐘送FPGA芯片供CCDL電路使用，另外在FPGA芯片中用64MHz時鐘8分頻得到16MHz時鐘，16MHz時鐘給串行接口芯片ST16C2552使用?？紤]CCDL電路傳輸速率的變化和高頻時鐘走線短的需要，因此3.3V 64MHz沒有與5.0V 64MHz共用一個時鐘。

3.2.4 供電電路

數(shù)據(jù)處理模塊上有 2.0V、2.5V、3.3V和 5.0V四種電壓，2.0V為處理器MPC755的內(nèi)核電壓，2.5V為MPC107內(nèi)核電壓，3.3V為處理器和107橋的接口電壓，5.0V供PCI和VME總線接口電路使用。2.0V電壓工作電流（在3.0A左右）很大，如果由5.0V經(jīng)DC-DC線性轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到，電源損耗很大從而導致發(fā)熱量大，因此 2.0V電壓擬采用開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到。另外考慮到開關(guān)DC-DC買不到軍品器件，而且首次設(shè)計有一定的風險，因此設(shè)計中還保留使用DC-DC線性轉(zhuǎn)換電路。2.5V工作電流（0.3A左右）電流小，可由5.0V經(jīng)DC-DC線性轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到。在原理樣機中3.3V由電源模塊提供，這給數(shù)據(jù)處理模塊單獨調(diào)試和維護維修帶來很大的不方便甚至出現(xiàn)模塊加電順序不當導致模塊損壞的現(xiàn)象，另外3.3V的工作電流（0.5A左右）不大。因此在工程樣機中數(shù)據(jù)處理模塊的3.3V也由5.0V經(jīng)DC-DC線性轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到。5.0V電壓由VME總線（來自電源模塊）提供。

3.2.5 供電電路

看門狗電路采用MAX791和FPGA實現(xiàn)。當看門狗功計時器溢出后，產(chǎn)生看門狗中斷?？撮T狗中斷由GSE和軟件看門狗使能位WDOEN來控制。GSE*為高電平時，系統(tǒng)處于空中狀態(tài)，看門狗中斷自動使能；當 GSE*為低電平時，系統(tǒng)處于地面調(diào)試維護狀態(tài)，看門狗中斷通過軟件使能位WDOEN來控制，WDOEN為‘0’時，使能看門狗，WDOEN為‘0’時，禁止看門狗。看門狗電路產(chǎn)生中斷后,送入中斷電路，同時也送給通道故障邏輯電路。正常使用時要求用戶必須在小于 1秒間隔內(nèi)產(chǎn)生看門狗觸發(fā)，使看門狗重新開始計數(shù)，以防止產(chǎn)生看門狗中斷?？撮T狗控制電路如圖4所示。

看門狗定時周期可以由用戶自行配置。定時周期由硬件設(shè)置，缺?。⊿WT通過跨接跳線S1接VCC）為1.6S。在不跨接S1的情況下，改變電容C1的值，可改變看門狗定時周期。定時周期period按公式1計算：

period=2.1 x C1ms(其中 C1的單位為 nf，且C1＞4.7nf)--------(1)

圖2 看門狗控制電路

看門狗軟件使能地址為0x7C000000，數(shù)據(jù)位為D15；看門狗軟件喂狗地址為0x7C000008，數(shù)據(jù)位為D15。

3.2.6 中斷電路

中斷電路采用MPC107橋接器芯片和FPGA實現(xiàn)。

中斷控制器實現(xiàn)16級外部串行中斷。中斷優(yōu)先級軟件可以設(shè)置，設(shè)置范圍為0～15，其中15為最高優(yōu)先級。設(shè)置為0時，禁止該級中斷。中斷資源分配見表3。

表3 中斷資源分配表

除了外部中斷信號外，POWERPC750還響應(yīng)一種優(yōu)先級更高的外部事件，即MCP中斷。它由FPGA產(chǎn)生，直接送給處理器的MCP。MCP中斷源見表4。

表4 MCP中斷分配

3.2.7 MPC107

中斷電路采用MPC107橋接器芯片和FPGA實現(xiàn)。

中斷控制器實現(xiàn)16級外部串行中斷。中斷優(yōu)先級軟件可以設(shè)置，設(shè)置范圍為0～15，其中15為最高優(yōu)先級。設(shè)置為0時，禁止該級中斷。中斷資源分配見表3。

MPC107PCI橋接器/集成存儲器控制器提供MPC6XX，MPC7XX，MPC74XX處理器到PCI總線的接口。MPC107提供功能有：一個高性能的存儲器控制器，兩處理器的支持，兩通道DMA控制器，一個中斷控制器，一路I2O消息控制器，一路I2C接口，一個時鐘鎖相環(huán)電路。MPC107內(nèi)部有配置寄存器，配置寄存器基地址為 0XFEC00000。具體的配置寄存器定義及說明參見MPC107用戶手冊。

MPC107 主要特性如下：

a.存儲器接口：32位或 64位數(shù)據(jù)寬度，頻率最高100MHz。支持 SDRAM。支持 8位，32位，64位SYSTEMROM。支持數(shù)據(jù)校驗，讀更改寫操作。支持ECC；

b.處理器接口：處理器總線時鐘可達 100MHz；支持第二個處理器；支持MPC6XX，MPC7XX，MPC74XX處理器；支持存儲器一致性；32位或 64位數(shù)據(jù)寬度，32位地址；

c.PCI接口：兼容PCI2.1規(guī)范；32位PCI接口，操作頻率可達50MHz；5.0V兼容；可選大端小端操作；提供多達五個PCI設(shè)備的仲裁電路；校驗支持；

d.其它特性：2通道 DMA控制器；消息管理單元；I2C控制器；可編程中斷控制器；集成PCI，SDRAM時鐘產(chǎn)生；可編程存儲器和PCI總線驅(qū)動；

e.測試特性：測試點監(jiān)視；存儲器和 PCI屬性信號；JTAG/COP接口。

3.2.8 底板總線接口

數(shù)據(jù)處理模塊使用 PUniverseII接口芯片實現(xiàn)標準的VME64總線主從設(shè)備接口，通過VME總線接口，數(shù)據(jù)處理模塊可以訪問本通道 VME總線上的各個設(shè)備，也可以被本通道VME總線上的其他主設(shè)備訪問。橋接芯片支持VME64總線進行塊傳輸，同時支持VME總線進行DMA操作。

Universe II 提供標準的PCI總線接口支持32位PCI和64位PCI設(shè)計。Universe II連接PCI設(shè)備不需要額外的驅(qū)動電路和邏輯，所有的PCI信號直接連接。如果Universe II配置為32位PCI接口，則信號AD[32:63]不接，ACK64#信號上拉。

3.2.9 離散量

狀態(tài)離散量輸入包括以下幾個信號：

a. GSE*：TTL電平，地面支持使能信號，當GSE*為低電平時，表示系統(tǒng)處于地面開發(fā)或維護測試狀態(tài)；當 GSE*為高電平時，表示系統(tǒng)處于實時工作狀態(tài)。

b.STATUS0：用于定義模塊狀態(tài)，由軟件定義；c.STATUS1：用于定義模塊狀態(tài)，由軟件定義；

d.MG0-MG4：槽位標識號，用于確定本模塊所在的槽位。

以上離散量狀態(tài)可以通過FPGA內(nèi)部離散量狀態(tài)寄存器查看，離散量狀態(tài)寄存器地址為 0x7c000000，只讀。離散量狀態(tài)寄存器格式如圖3所示。

圖3 離散量狀態(tài)寄存器格式

4 結(jié)束語

本文通過一個具體的硬件模塊的設(shè)計來詳細說明機載PowerPC系列高性能處理器模塊的硬件實現(xiàn)，關(guān)于模塊的軟件配置及開發(fā)環(huán)境、信號完整性分析則是另外需要進行專題研究的部分。

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Airborne PowerPC series high-performance processor module hardware design

This paper first introduces the typical high performance processor and introduced PowerPC processor series, and then introduces the data processing module design based on PowerPC series high-performance processor technology total solution, finally through a concrete hardware module design to detailed airborne PowerPC series high-performance processor module of the hardware implementation

Open integration; configurability; testability

V271.4

A

1008-1151(2015)05-0001-04

2015-04-13

楊濤（1981－），男，陜西武功人，中國航空計算技術(shù)研究所工程師，碩士，研究方向為機載計算機硬件設(shè)計與調(diào)試。