MPC755是Freescale公司開發的PowerPC系列微處理器中具有卓越性能的G3代產品。本文介紹了以MPC755為核心的嵌入式計算機系統的結構框架、主要芯片、地址空間分配、實現難點，以及系統的調試方法和啟動過程。該嵌入式系統處理能力優越，內核最高處理能力可達733MIPS，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等。 　　伴隨著信息化時代的來臨，嵌入式系統在通信中的應用越來越廣泛，人們對帶寬的需求越來越高，而新業務要求嵌入式系統具備更強的處理能力。本文以MPC755為核心，構建了一個功能強大、高度模塊化、實時性強、具備高度可擴展性的嵌入式計算機系統，可用于語音處理、路由器、無線接入、VoIP、軟交換等眾多場合。因為MPC755具有并行執行數條指令、簡單指令的快速執行、流水線操作等優點，所以該系統處理能力優越，內核最高處理能力可達733MIPS。通過主/PCI橋MPC107擴展了多種通訊協議處理接口，符合多種RTOS（實時操作系統，如VxWorks、嵌入式Linux等）對其運行平臺的要求。 MPC755處理器 　　MPC755是一種32位超標量微處理器，遵循了PowerPC處理器架構，有著與PowerPC完全相同的指令集。芯片集成了6個獨立的執行單元（2個整數單元、1個加載/存儲單元、1個雙精度浮點單元、1個系統寄存器單元和1個跳轉處理單元），在一個時鐘周期內最多可以同時執行6條指令。 　　MPC755內嵌了獨立的32K字節指令和數據高速緩存，以及指令和數據內存管理單元（MMU）。L2 Cache（二級高速緩存）控制單元最大可外接1M字節SRAM，用作二級高速緩存。總線接口單元向外引出60X總線，可以外接具有60X總線的設備。當內核工作在400MHz時，性能高達733MIPS。MPC755還包含了一個性能監視器、一個遵循IEEE1149.1標準的JTAG調試接口、以及溫度管理單元等（MPC755功能結構見圖1）。 　　MPC755在引腳定義和軟件代碼上都向下兼容，核心電壓為2.0V，I/O電壓3.3V/1.8V可選。MPC755內核的最高頻率是400MHz。系統時鐘通過SYSCLK0引腳輸入，經過PLL電路倍頻，產生內核時鐘，即主頻。引腳PLL_CFG[0:3]在系統上電時的配置值（本設計中是0b‘1010） 決定了倍頻系數。 系統總體設計 　　圖2是基于MPC755的嵌入式計算機的系統框圖。由圖可見，MPC755的接口擴展主要依賴于主/PCI橋——MPC107。MPC755本身只外接了二級緩存，以提高系統性能。而其它接口都從MPC107引出，包括一個串口，一個10M/100M自適應網口，I2C口等。串口和網口符合多種RTOS對運行平臺的要求，且在硬件上滿足了嵌入式系統的兩種主要調試手段（串口調試和以太網調試），應用開發相當容易。PMC槽使系統具備較強的現場可擴展性，可滿足不同的應用需求。 　　1. MPC107 　　MPC107是Freescale公司開發的一種高性能、高帶寬的PCI橋接芯片。圖3顯示了MPC107的基本結構。MPC107一側是60X總線接口，總線寬度32位/64位可選，最高頻率100MHz，另一側是PCI總線接口。芯片內部集成了存儲器控制器、DMA控制器、可編程中斷控制器、4個定時器、I2C控制器、消息單元（I2O）、PCI仲裁器、看門狗電路、動態電源管理單元，PCI總線性能監視單元、JTAG接口等。 　　存儲器控制器共有12個片選空間，其中8個RAM片選空間，CS[0:7]。每個片選空間的時序可編程，可支持FPM DRAM、EDO DRAM或SDRAM，最大可外接1GB RAM。另4個是ROM片選空間，RCS[0:3]，支持8位、32位、64位接口寬度，最大可外接144MB ROM。 　　2. 存儲器 　　本系統在CS0空間中擴展128MB的SDRAM，用5片256M位（16M（16位）SDRAM拼成，其中一片用作ECC，其余4片用作系統內存。 　　Flash選用了Intel公司的28F016S3，2M字節。因為系統啟動時，必須從RCS0上的設備讀取啟動代碼，因此，Flash的片選連接到RCS0上。 　　At24C04是512字節的EEPROM，通過I2C總線連接到MPC107，用于存儲系統信息，例如，產品名稱、版本號、網口的物理地址等。 　　二級高速緩存選用了IDT公司的IDT71V35761，每片128K（36位，共2片，組合成128K×72位，其中64位是數據線，另外8位是校驗信號。芯片的最高頻率為200MHz。二級高速緩存的使用極大地提高了系統性能，使MPC755如虎添翼。 　　3. 串口 　　TL16C550是RS-232串口控制芯片，接在RCS1空間，MAX3221是電平轉換芯片。串口的工作模式由軟件決定，既可工作于中斷模式，也可工作于輪詢模式。在調試的時候，串口用于輸出調試信息和接收外部命令。在實際應用中，串口可以作為系統和用戶的交流窗口，用戶通過串口來掌握或改變系統的運行情況。 　　4. PCI設備 　　本系統中，PCI采用MPC107內部仲裁器，總線工作于33MHz。系統的網口芯片選用了Intel82559，這是一款具有PCI接口的，將物理層和鏈路層集成在一起的10M/100M自適應網口芯片，可減少電路板空間和走線數量。變壓器選用了Pulse公司的H1012。網口可工作于全雙工或者半雙工模式。 　　另外，PCI1410A是連接PCI總線和CF卡的一種接口芯片。CF卡具有攜帶方便、易于升級、存儲量大、抗震性好等優點。在本設計中，CF卡主要用于保存應用軟件、用戶數據備份等。而且，在今后的系統維護和軟件升級中，技術人員只需要更換CF卡或者升級CF卡中的軟件，十分方便。設計選用了SanDisk公司的型號為SDCFB-64-101的CF卡，64M字節容量，幾何尺寸為36.4mm×42.8mm×3mm。 　　PMC插槽用于擴展PCI插卡，增加系統功能。例如，如果系統需要增加一個網口，只要在PMC槽上插入一塊具有PMC接口的網卡就可以了。 　　5. 時鐘 　　M41T81是ST公司生產的一款時鐘芯片。在本設計中，為系統提供時鐘，因為在電信、網絡等許多應用場合，系統必須提供時間信息。M41T81具有I2C接口，兩種供電模式：在系統上電時，由電路板上的3.3V電源供電;系統斷電時，自動切換到外接電池供電。電池供電時的電流很小，僅為1（A。 地址空間分配 　　在PCI主設備模式下，MPC107支持兩種地址空間分配方案：Map A和Map B。在PCI從設備模式下，MPC107只支持Map B。選擇哪種地址分配方案是由上電啟動時，引腳SDBA0的高低來決定的，如果為高，則選用Map B，否則，選用Map A。在本系統中，MPC107工作于PCI主設備模式，選用了Map B地址空間分配方案。 　　在Map B地址空間分配方案中，整個32位（4G）地址空間被分為4大塊：本地存儲空間、PCI存儲空間、PCI I/O空間、系統ROM空間。如表1所示。 　　在本系統中，128MB SDRAM的基地址是0000_0000，2MB Flash的基地址是FFE0_0000，串口控制芯片TL16C550的基地址是：7C00_0000，64M CF卡的訪問地址是8000_0000。 設計關鍵 　　1. 時鐘 　　時鐘信號是本設計的一大關鍵。整個系統只有一個時鐘輸入：OSC_IN，33MHz，輸入到MPC107，經過MPC107的FO緩存產生5個同步的PCI時鐘信號，其中3個PCI時鐘輸送給PCI設備，1個保留，另一個PCI時鐘作為系統時鐘（PCISYNC_OUT），輸送到PLL和DLL（延時鎖相環）模塊，經過鎖相和倍頻，分別產生CPU時鐘（CPU_CLK0）、4個SDRAM（SDRAM_CLKx）時鐘、和一個回饋時鐘（SDRAM_SYNC）。CPU_CLK0輸送給MPC755。 　　MPC107的DLL模塊類似于PLL，但是它能夠把一個時鐘周期分為128個離散的間隔。在PCB布線時，SDRAM時鐘的走線是等長的。DLL檢測SDRAM_SYNC時鐘從輸出到輸入的時延，這個時延就相當于SDRAM_CLK的時延。通過調整SDRAM_SYNC時鐘的時延，可以方便地增加或者減少SDRAM_CLK時鐘的延遲。一般情況下，走線16.5cm相當于時延1000ps。 　　本設計中，CPU_CLK0走線長度、SDRAM_SYNC的走線長度和SDRAM_CLK時鐘的走線長度三者相等。PCISYNC_OUT到PCISYNC_IN的走線長度和PCICLK的走線長度相等。 　　MPC755通過對CPU_CLK0時鐘倍頻，獲得內核主頻。二級高速緩存的時鐘是由MPC755對內核主頻分配所得，分頻系數由L2CR寄存器的L2CLK位決定，可以是1、1.5、2、2.5、3（本系統選擇了2.5）。一般的，分配系數的選擇要根據外部Cache的性能、MPC755的內核工作頻率和DLL的調整能力決定。L2 Cache最小的工作頻率是80MHz。分頻后的時鐘經過片內的DLL電路調整，輸送到二級緩存。但是，L2SYNC_OUT作為反饋時鐘又輸入到L2SYNC_IN，返回路徑長度必須是L2CLK_OUTA走線長度的二分之一，這樣CPU就能夠保證輸入到L2 Cache的時鐘信號上升沿是和L2接口的時鐘信號上升沿對齊的。 　　2. 高速布線 　　MPC107的PLL外部電路必須盡可能地靠近MPC107。網口芯片82559和變壓器H1012之間的走線應該盡可能短，網口的一對輸入信號和一對輸出信號采用差分走線。連接MPC755和二級高速緩存的數據線、地址線的長度盡可能相等，因為要連接二片SRAM芯片，所以采用“Y”形走線方式。SDRAM、L2 Cache的地址線、數據線和控制線也都需要特別注意。如表2所示，所有高速走線，包括PCI走線，都進行了阻抗匹配控制。 系統啟動過程和調試 　　當信號#HRESET為低電平時，MPC107就讀取配置引腳，以決定工作狀態。這些配置引腳是復用的，但是，在上電時，它們只扮作配置引腳。關鍵的幾個配置引腳的意義如表3。 　　系統的硬件調試借助了Windriver公司的EST7xx系列仿真器。仿真器一端連接PC機，另一端連接MPC755的JTAG接口，即使SDRAM等模塊工作不正常，仿真器也可以訪問MPC755和MPC107的內部寄存器，幫助判斷SDRAM和其它器件的故障所在。 　　首先調試PowerPC內核和外部SDRAM，一旦它們工作正常，就可以通過仿真器下載RTOS，來輔助硬件調試。為此，筆者選用了Windriver公司的嵌入式實時操作系統，VxWorks及其集成開發工具Tornado。然后，調試串口，因為串口相對簡單。如果串口工作正常，就可以脫離仿真器，利用Tornado提供的工具軟件，例如WDB，通過串口線建立電路板和PC機的通信機制，繼續調試其它模塊。調試的主要工作量是在MPC107，而不是MPC755。 　　調試結束后，將正確的啟動代碼燒制到Flash中，VxWorks和應用軟件燒制到CF卡。因為啟動時中斷入口的基地址為0xFFF00000，而PowerPC處理器啟動的中斷向量偏移地址是0x100，所以啟動代碼必須燒制在Flash的0xFFF00100地址。系統上電或者硬復位后，MPC755自動從該地址讀取指令并執行，步驟如下： 　　PowerPC內核初始化; 　　關閉所有中斷; 　　初始化SDRAM; 　　初始化MPC755內部的高速緩存; 　　初始化二級高速緩存 　　初始化PCI接口; 　　初始化CF卡; 　　從CF卡讀取VxWorks及應用軟件到SDRAM中; 　　運行VxWorks; 　　初始化串口; 　　初始化I2C，從AT24C04讀取MAC地址; 　　初始化網口; 　　打開中斷; 　　運行應用軟件。 　　Bootrom中最初一段程序采用PowerPC的匯編語言編寫，這部分程序完成了對系統的最基本的初始化，其中最重要的是PowerPC內核和SDRAM，以便可以盡快使用SDRAM，從而在其后可以使用C語言編寫的程序進行后繼初始化工作。