【摘要】本文提出一种基于PowerPC8270的高性能的“三化”处理模块的设计与实现方案。模块采用“PMC”标准设计，体积小、功耗低，提供多种通信接口，提供ECC校验，可靠性高。该模块能够满足机载嵌入式领域高性能、多任务、低功耗的应用要求。
【关键词】“三化”模块;PowerPC8270;PMC
1.引言
随着航空领域的快速发展，航空机载计算机不断发展，形成了通用化、系列化和组合化（模块化）的产品标准体系，即“三化”的产品体系。通用化是指采用开放式结构和通用成熟的工业技术，包括通用的工业标准和规范，以及工业级元器件等缩短航空电子系统采购周期、降低研发成本，有效地解决军品器件停产问题、新技术的顺利插入问题，保障系统的升级扩展能力;系列化是指通过开放式结构允许存在不同性能档次的产品，来实现航空电子持续发展和不断升级，达到产品系列化的目的;组合化是指通过合理的模块和功能划分实现最优组合，包括在尺寸上逐步向工业化的标准体制靠近， 在功能上向更小的功能电路块渗透，达到模块和功能电路的最优组合效果。
基于PowerPC8270处理器的标准PMC模块（PC8270）就是一款高性能、高可靠、低功耗的机载嵌入式处理模块。该采用PMC标准架构设计，符合通用化、系列化、组合化的“三化”设计要求，是一种高性能的COTS（商用货架产品）模块。
2.概述
PowerPC8270处理器是Freescale公司基于PowerPC 603e内核的PowerUICC II系列的一款高性能32位RISC处理器，该系列芯片支持丰富的协议和接口，包括3个百兆以太网MAC、ATM、HCLC，4个SCC接口，2个SMC接口，一个32位33/66MHz PCI总线接口以及一个USB host/device界面。处理器为双处理器内核，一个嵌入式PowerPC 603e内核和一个通信处理模块（CPM），双地址总线，32位local bus和64位60x bus（64位数据总线、32根地址线），总线时钟最大支持100MHz。低功耗，400M/300M/100M频率下典型功耗为1.5W，最大功耗1.65W。
PowerPC8270系列芯片所集成了2个处理单元：嵌入式PowerPC 603e内核与精简指令集（RISC）通信处理模块（CPM）。这种双核设计可以比传统的设计更大的降低功耗和提供更加平衡的处理能力。CPM承担了底层外围通信任务，而603e内核则专注于管理内部处理的任务，其广泛的协议栈支持能力是该系列芯片的最大亮点。
3.系统结构
PC8270高性能处理模块采用1片PowerPC 8270作为主处理器，处理内核工作主频450M/ 300M/100MHz。处理器具有独立的存储资源：SDRAM，FLASH，NvSRAM。模块上通过可编程控制逻辑器件来实现处理器局部端总线的控制逻辑，同时通过FPGA实现12路PortC接口，实现模块的中断控制。处理器输出2路10M/100M以太网接口连接至PMC插座用于模块的调试维护。处理器的PCI接口连接至PMC插座上，实现与PCI总线上其他模块的通讯。模块上对外输出2路RS232接口和2路RS422接口，均连接至PMC插座。其中，2路RS232接口用于调试维护，2路RS422接口作为低速通信总线使用。PC8270模块的原理框图如图1所示。
图1 PC8270模块结构
4.硬件电路设计
4.1 电源转换电路
模块采用外部+5V电源供电。处理器PowerPC8270内核电压为1.5V，接口电压为3.3V，FPGA的内核电压为1.2V，接口电压为3.3V，其它芯片均为5V或3.3V电压输入。接口电压3.3V采用开关电源LTM4600提供，最大电流10.0A。FPGA内核电源1.2V和CPU内核电源1.5V电流较小，使用TPS74401提供，如图2所示。
图2 电源转换电路
图3 复位电路
4.2 处理器电路
在本设计中处理器型号选用MPC8270C ZUUPEA（-40℃ to +105℃），封装为480TBGA，CPU、SDRAM速度分别为400MHz、66MHz。处理器的PCI配置为PCI host，总线频率为66MHz。处理器工作频率均可通过FPGA进行配置。
PowerPC8270该模块的上电复位信号由Maxim公司的MAX706提供，外部复位信号由PMC插座引入，如图3所示。上电后，FPGA加载逻辑，DONE信号为低电平，MAX706复位输出管脚为低电平，整个模块处于复位状态;逻辑加载结束，DONE信号变为高电平后，MAX706的复位输出管脚在延迟200ms后变为高电平，整个模块处于正常工作状态。另外，系统提供软复位功能，通过软件写寄存器方式复位PC8270。PCI复位信号由CPU发出，复位其他PCI设备。
4.3 存储器电路
该模块通过内部集成的60x总线控制器配置存储器单元。
4.3.1 Boot FLASH存储器
该模块提供16位宽度32Mbytes的Boot FLASH存储器，用于存储PC8270模块上电引导程序，模块加电自检（PUBIT）程序，Vxworks操作系统核心代码映像。Boot FLASH存储器采用1片SPANSION公司的S29GL256P10TFI010实现，工作电压为3.3V，封装为56引脚的TSOP，容量为32Mbytes，支持整片擦写，扇区写保护等。
4.3.2 User FLASH存储器
CPU模块提供16位宽度32Mbytes的USER FLASH存储器，用于存储应用程序。USER FLASH存储器采用1片SPANSION公司的S29GL256 P10TFI010实现，工作电压为3.3V，封装为56引脚的TSOP，容量为32Mbytes，支持整片擦写，扇区写保护等。
4.3.3 SDRAM存储器
CPU模块提供72位数据宽度（其中8位为ECC校验位）128Mbyte的SDRAM，工作频率为66MHz。SDRAM采用5片国产871厂的TWSD1616（4M*16*4）实现，其中1片实现8-bit的ECC校验，工作电压为3.3V，封装为64引脚的CLCC。
4.3.4 NVSRAM存储器
CPU模块上提供128KB的NVSRAM，器件采用1片STK公司的STK14CA8-NF45I， 8位数据宽度，工作电压为3.3V。NVSRAM用于掉电数据保护，每片内有128KB的SRAM和128KB的EEPROM，掉电时利用大容量钽电容的电能由SRAM中的数据写入EEPROM中，上电时自动从EEPROM中写入SRAM中，恢复掉电时的数据。
4.4 PCI总线接口
PCI总接口使用MPC8270芯片提供的PCI接口实现，工作电平3.3V，传输时钟采用66MHz，host模式，支持单字节操作和Burst操作。处理器通过PMC插座与PCI总线上的其他设备进行通信。
4.5 FPGA电路
模块上选用1片FPGA芯片实现接口逻辑控制功能，芯片选用Xilinx公司XA Spartan-3A系列芯片XC3S200AN-4FTG256I，实现模块的复位控制、中断管理、处理器局部总线访问控制、看门狗定时器、离散量控制和模块控制状态寄存器实现等功能。
4.6 看门狗定时器
看门狗电路采用FPGA实现。当看门狗喂狗超时后，产生看门狗中断，当看门狗电路连续产生三次看门狗中断且均未得到处理时，看门狗电路发出看门狗复位。系统处于空中状态，看门狗电路上电后自动使能，且不能禁止;当GSE*为低电平时，系统处于地面调试维护状态，看门狗电路通过软件使能位WDOEN来控制，WDOEN为‘0’时，使能看门狗，WDOEN为‘1’时，禁止看门狗。看门狗电路产生中断后，送入中断电路，同时也送给通道故障逻辑电路。正常使用时要求用户必须在看门狗定时周期内产生看门狗计时器清零信号，清零看门狗计时器。看门狗定时周期可由软件设定。
4.7 其他电路
综合调试接口采用国产3419厂的25芯J63A-2F2-025-431-TH弯插印制板插座实现。综合调试接口集成了FPGA JTAG接口和处理器JTAG接口用于进行模块硬件调试，接口位置布局在模块的顶端，以方便模块在系统内的调试工作。
RTC由1片Dallas公司的DS1374C芯片实现，连接到主处理节点的外设总线上，为系统提供日期、时间信息。
5.结构设计
模块的物理构成和外形尺寸满足PMC标准子卡规范，其物理特性如下：印制电路板外形尺寸：长×宽×厚=（143.75mm±0.20mm）×（74.00mm±0.20mm）×（2.0mm±0.2mm）。
6.软件设计
PC8270模块的配置软件包括Boot引导程序、操作系统、驱动程序包和FLASH编程工具等。
6.1 Boot引导程序
引导程序是系统上电后首先执行的程序模块，负责从系统上电到系统进入某种工作状态之间的系统控制。CPU模块引导程序的功能模块包括：系统初始化模块、分支（工作状态）判断模块、系统参数配置模块以及固化支持模块。
6.2 操作系统
该模块上为PowerPC8270处理器配置美国风河公司的VxWorks5.5嵌入式实时操作系统（RTOS），以满足通信、军事、航空航天等实时性要求极高的嵌入式领域应用。
6.3 驱动程序包
模块上运行的驱动程序包括存储器驱动、看门狗定时器驱动、中断控制、PCI总线驱动等。
6.4 FLASH编程工具
FLASH编程工具提供软件代码的在线固化功能，对FLASH进行编程。编程数据可通过以太网或串口进行加载，方便用户对FLASH上的软件代码进行更新。
7.结束语
航空领域的快速发展对嵌入式机载计算机技术提出的更高要求，结合通用化、系列化、组合化的“三化”设计要求，本文提出一种高性能低功耗标准PMC处理模块的设计实现方案。该模块符合PMC标准，具备高性能的数据处理性能，丰富的通信接口支持，更低的功耗，能够满足新一代嵌入式电子系统高性能、多任务低功耗的处理要求，可广泛应用于高可靠性的机载嵌入式领域。
参考文献
[1]MPC8280 PowerQUICC™ II Family Reference Manual.
[2]MPC8280 PowerQUICC™ II Family Hardware Specifications.
[3]Draft Standard Physical and Environmental Layers for PCI Mezzanine Cards：PMC.
[4]苗卓广，杨坤，王海涛，谢寿生，翟旭升，蒋爱武.某型航空发动机自动测试系统研制[J].空军工程大学学报（自然科学版），2010，11（2）：11-15.
作者简介：李乔杨（1985—），男，陕西商洛人，中航工业计算技术研究所工程师，主要从事嵌入式计算机设计。
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