（信息与通信工程专业论文）嵌入式通信平台的硬件设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 l f 嵌入式系统是一种具有特定功能的专用计算机系统。它与通信和网络技术 的窘合可以极大地增强网络的智能性与灵活性，拓展通信功能，实现各种通信 系统之间的互联互通。随着信息技术的不断发展和用户需求的不断增长，嵌入 式技术在通信领域中的应用日益广泛。肛文的目的是设计一种适合于中低端应 用的通信平台，可支持如e t h e r n e t 、i s d n 、a t m 网络之间的数据传输，以及具 有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 等接口能力的网络终端。基于此平台可以开发诸如s o h o 路由器、a d s lm o d e m 、t i e i 终端、a t m 线卡等通信产品。 本文围绕嵌入式l i n u x 环境设计了基于嵌入式通信微处理器m p c 8 5 0 的通信 硬件平台。它涉及的内容主要包括m p c 8 5 0 主体电路设计和外部控制与通信电路 设计两部分。其中，主体电路设计部分包括了系统启动与复位、内存分配与管 理、中断响应与处理、外部总线接口、时钟与电源管理、系统开发与调试功能 等内容；外部控制与通信电路设计部分包括e t h e r n e t 、r s 2 3 2 与r s 4 8 5 、u s b 、 i s d n 、a t m 等各种通信接口以及相关控制功能等内容。 最后，本文基于此嵌入式通信平台提出了一种蓝牙解决方案。其目的一方 面是为此平台增加无线网络接口，从而构建蓝牙无线网络，另一方面是提供一 种无线接入方式，有利于实现个人通信。其涉及的内容包括硬件子系统和高层 协议栈两部分。 v + 7 、 、 【关键词】嵌入式系统通信平台m p c 8 5 0b u e ：磊o t h 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sak i n do fs p e c i a lc o m p u t e rs y s t e mw i t hs p e c i a l f u n c t i o n s c o m b i n i n gw i t h c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g yc a n g r e a t l ye n h a n c e st h ei n t e l l i g e n c ea n df l e x i b i l i t y o fn e t w o r k ，e x t e n d s c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n s ，i m p l e m e n t t h e c o n n e c t i v i t y b e t w e e n m a n y c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h ei n c r e a s eo fc u s t o mr e q u i r e m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e d t e c h n o l o g yi nt h ec o m m u n i c a t i o na r e ai si n c r e a s i n g l ya b r o a d t h ep u r p o s e o ft h i sp a p e ri st od e s i g nac o m m u n i c a t i o np l a t f o r ma d a p tt om i d d l e l o w l a y e ra p p l i c a t i o n s i tc a ns u p p o r td a t at r a n s f o r mb e t w e e ne t h e r n e t ，i s d n a n da t mn e t w o r k s 。a n dn e t w o r kt e r m i n a le q u i p m e n tw i t hr s 2 3 2 ，r s 4 8 5a n d u s bi n t e r f a c e s m a n yc o m m u n i c a t i o np r o d u c t ss u c ha ss o h or o u t e r ，a d s l m o d e m ，t 1 e lt e r m i h a le q u i p m e n ta n da t m1 i n ec a r dc a nb ed e v e l o p e db a s e d o nt h i sp l a t f o r m t h i sp a p e rd e s i g n sac o m m u n i c a t i o nh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h e e m b e d d e dc o m u n i c a t i o nm i c r o p r o c e s s o rm p c 8 5 0i ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o n e n v i r o n m e n t i t sc o n t e n tm a i n l yi n c l u d e st w o p r o p o r t i o n s ：d e s i g no f m p c 8 5 0m a i nc i r c u i ta n dd e s i g no fp e r i p h e r a lc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t t h ed e s i g no fm a i nc i r c u i ti n c l u d e ss y s t e ms t a r t u pa n dr e s e t ， m e m o r ya s s l g n m e n ta n dm a n a g e m e n t ，i n t e r r u p tr e s p o n s e a n dm a n a g e m e n t ， e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ，c l o c ka n dp o w e rc o n t r o l ，s y s t e md e v e l o p m e n ta n d d e b u g g i n gf u n c t i o n t h ed e s i g no fp e r i p h e r a lc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n c i r c u i ti n c l u d e se t h e r n e t ，r s 2 3 2a n dr s 4 8 5 ，u s b ，i s d n ，a t mi n t e r f a c e s a n di n t e r r e l a t e dc o n t r o lf u n c t i o n s a t l a s t t h i s p a p e rp r o p o s e s ab l u e t o o t hs o l u t i o nb a s e do nt h i s p l a t f o r m i tc a np r o v i d eaw i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c et ot h ep l a t f o r m ， t oc o n f o r mt h eb 1 u e t o o t hw i r e l e s sn e t w o r k i tc a na l s op r o v i d eaw i r e l e s s a c c e s sm o d e t ob ei nf a v o ro fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n i t sc o n t e n ti n c l u d e h a r d w a r es u b s y s t e ma n dh i g hl a y e rp r o t o c o ls t a c k k e y w o r d e m b e d d e ds y s t e m c o m m u n ic a tio npla t f o r m 。m p c 8 5 0 b iu e t o o t h i l 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1嵌入式系统的应用与发展 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 于应用系统。对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序四部分组 成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点： l 、嵌入式系统通常面向特定应用 。 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有功耗低、 体积小、集成度高的特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦 合也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是多种技术的集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物。这点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌入式产品的生存能力很强 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代也和具体产品同步进行， 因此嵌入式产品一凰进入市场，具有较强的生命周期。 4 、嵌入式系统的软件通常作为固件形式存在 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般固化在存储器芯 片或单片机中，而不是存储在磁盘等外部载体中。 5 、嵌入式系统需要特定的开发环境和开发工具 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成后用户也不能对其中 的程序功能进行修改，必须利用特定的开发环境和开发工具。 早在二十世纪七、八十年代嵌入式系统最初应用于工业控制领域。随着工 业、医疗、国防等部门对智能控制的需求不断增长，嵌入式微处理器在运算速 度、可扩充能力、可靠性、功耗和集成度等方面得到了显著提高，也使得嵌入 式系统的应用领域不断扩展。二十世纪末的信息技术革命极大地推动了各项产 业和技术的发展，嵌入式技术也不例外。 嵌入式系统的自身特点和不断发展使其可广泛应用于工业控制、数据采集、 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 远程监控、智能管理、信息家电、移动通信、手持设备、网络设备等多种领域。 特别是近年来嵌入式技术与通信和网络技术的结合极大地扩展了嵌入式系统的 应用领域，同时促进了通信产品的小型化、可移动与网络化。在应用数量上， 嵌入式计算机远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包 含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、m o d e m 、 网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器 控制的。由于嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的 软件产品开发，所以嵌入式产品可以广泛渗透到社会生活的方方面面，同时不 会出现通用计算机行业中的技术垄断现象。 由于受具体功能和应用环境的限制，对嵌入式系统的设计也提出了相应的 要求，需要重点考虑的因素主要有：实时性好、可靠性高、集成度高、功耗低、 环境适应能力强、系统成本低。这些设计要求成为嵌入式技术发展的动力。随 着微电子技术、计算机技术、电子设计自动化、通信和网络技术的飞速发展， 嵌入式技术的发展也日新月异。目前，嵌入式技术的发展方向主要集中在片上 系统s o c ( s ) , s t e mo nc r o p ) 、嵌入式i n t e m e t 技术以及信息家电等方面。 s o c 是指以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，追求产品系统最大包 容的集成器件。利用e d a 工具和硬件描述语言h d l ，根据产品的特定要求设计 性能价格比高的s o c ，是目前国际上广泛使用的方法。与传统的设计方法不同， 这种方法在设计开始阶段不需要具体的微控制器m c u 和开发系统以及带有外 围电路的线路板进行调试，只需要由集成电路制造厂家提供的用h d l 描述的 m c u 核以及各种外围器件的h d l 模块。设计人员在e d a 工具提供的虚拟环境 下，不但可以编写和调试汇编程序，也可以用h d l 设计、仿真、调试具有自己 特色的快速算法电路和接口，并通过综合和布线工具自动转换成电路结构，与 制造厂家的单元库、宏库及硬核对应起来，通过仿真验证后，即可投片制作专 用的s o c 集成电路。目前s o c 已成为徽电子、计算机、电子设计自动化等学科 相互交叉、融合、渗透的中心研究课题，未来s o c 将成为嵌入式应用的主要形 态。 p c 的普及形成了客户机，服务器的体系结构，进而发展成浏览器，服务器结 构，从而成为i n t e r a c t 被广泛接受的重要条件。然而，此时的客户机已成为广泛 普及的p c ，服务器却是褶对复杂、价格昂贵的超级计算机，即所谓的“胖服务 器”。与嵌入式技术的结合可以产生价格低廉的“瘦服务器”，也成为 n t e m e t 在 未来十年发展的重要方向。因此，设计制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关、嵌 入式i n t e m e t 路由器已成为嵌入式i n t e m e t 时代的关键核心技术。 信息家电是嵌入式技术与网络技术紧密结合的一个典型应用例证，指在集 成协同环境中把计算机、音频、视频设备以及其他各种家用电器和自动子系统， 包括能量管理、保险、加热、通信、安全等连在一起，以实现家居资源的共享 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 与管理，组成一个家电网络。这要求在技术上把各种能力的产品混合在一起， 确保实现无缝和透明的集成。家用电脑的发展将趋向于网络化、智能化、个性 化的综合。网络化不再是简单的一键上网和浏览，而是更全面的网络应用整体 解决方案，包括无缝整合的深层次网络应用，妞宽带接入、网络安全等；智能 化重在智能家居控制，实现远程和近程智能控制各种信息家电；个性化可以为 不同用户提供不同产品。在实现家居自动化方面，目前有采用标准总线和提供 网络协议两种方式，如i e e e1 3 9 4 和i p 协议，或基于a t m 。用发展的观点来看。 家居网络应该采用开放分布处理模型和多种物理连网方式，借用互联网的i p 协 议，同时兼顾现有家居电器的情况。作为家居网络的中心模块，可选择具有较 强通信处理能力、价格适当的微处理器作为主要控制器。在嵌入式系统方面， 作为现在嵌入式操作系统发展的热点，嵌入式l i n u x 系统具有开放源代码、系统 内核小、效益高、内核网络结构完整，裁减后非常符合信息家电的开发。 可以展望未来几年内嵌入式产品将具有越来越广阔的市场前景，由此带来 的竞争也将更加激烈。竞争将进一步促进嵌入式技术的发展，同时这也将带来 包括信息产业在内多种产业的发展契机。 1 2p o w e r p c 技术 嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 是嵌入式系统的 重要部件，目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m 系列等。最具有代表性的是：m o t o r o l a 的p o w e r p c 系列、i n t e l 的s t r o n g a n n 系列和n a t i o n a ls e m i c o n d q c t o r 的x 8 6 系列。其中，m o t o r o l a 的p o w e r p c 系列微 处理器种类多，性能优越，系统集成度高，扩展能力强，可广泛应用于各种不 同层次的嵌入式系统中。m o t o r o l a 已成为当今全球最大的嵌入式微处理器生产商 之一，p o w e r p c 系列微处理器也成为当今嵌入式系统应用的一种主要微处理器。 p o w e r p c 是i b m m o t o r o l a a p p l e 三家公司于1 9 9 3 年联合开发的新一代 微处理器，由于采用了r i s c 技术，其性能价格比从一开始就超越了竞争对手一 一采用c i s c 技术的i n t e lp e n f i u r n 。p o w e r p c 体系结构的可伸缩性使它不仅可用 于高端服务器，也可用于各种嵌入式系统。 基于r s c 技术的p o w e r p c 其特性主要有： l 、采用固定长度的指令，使机器译码变得简单。不利的影响是完成相同的 工作需要更多的指令，但这可通过快速、价格低廉的存储器装置更快地执行较 大代码段来弥补。 2 、采用装载，存储的体系结构，操作数和运算结果不通过主存储器直接取 回，而是借用大量标量或矢量寄存器取回。 3 、采用硬联控制，用硬件实现指令，尽管更加昂贵但在执行时间方面却提 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 供了更好的性能平衡。另外还节省了芯片上用于存储微代码的空间，并且消除 了翻译微代码所需的时间。 4 、硬联控制还导致了更高的精确度，这就促进了溶合指令在p o w e r p c 体系 结构设计上的实现。将某些经常出现的指令作为溶合指令极微地执行，时钟周 期上的节省可得以加倍。 5 、指令进程的经典方式是使用一个程序计数器指向当前正在执行的指令， 而p o w e r p c 采用了三个执行单元流水线的体系结构。对于处理流水线中的空区， p o w e r p c 采用了分支预测的方法。除了这个并行机制之外，每个独立的执行部 件还是流水线式工作的，这样它就有同时处理多条指令的能力，称为超标量体 系结构。这种方式的优点是在指令执行速率上产生很高效率，缺点是同时增加 了指令执行机制的复杂性。 6 、p o w e r p c 指令集的设计重点在优化每条指令的功能，以此来提高性能优 势。 在p o w e r p c 体系结构中，没有可称之为c p u 本身的单一器件，而是利用由 执行各自特有功能的分散执行机制完成处理器功能。该基本c p u 模型的特征为： 一个分支处理单元处理分支指令及派送指令给其他执行单元；一个定点单 元执行整数运算指令及执行装载存储操作；一个浮点单元处理浮点指 令。 本系统采用的m p c 8 5 0 微处理器基于p o w e r p c 内核，集成了2 - k b y t e 指令 c a c h e 、1 k b y t e 数据c a c h e 和带有8 个入口的转换后备缓冲区t l b ( t r a n s l a t i o n l o o k a s i d eb u f f e r s ) 的内存管理单元m m u 。其体系结构可分为三层，同时对应 三种可编程的运行环境： 用户指令集体系结构u s i a ( u s e ri n s t r u c t i o ns e t a r c h i t e c t u r e ) u s i a 定义了用户级软件应当遵守的体系结构规范，以及基于用户级的指令 集、用户级存储器、数据类型、用户程序可见的异常模式和存储器编程模式。 虚拟环境体系结构v e a ( v i r t u a le n v i r o n m e n t a r c h i t e c t u r e ) v e a 主要描述与存储器访问、扩展有关的结构。在v e a 中描述了在多设 备访问存储器环境中的存储器模型，定义了c a c h e 模型和c a c h e 访问指令，以及 基于用户级的时基( t i m eb a s e ) 运行模式。一个基于v e a 的应用在遵守v e a 结 构的同时，还需遵守u i s a 结构。 操作环境体系结构o e a ( o p e r a t i o n e n v i r o n m e n t a r c h i t e c t u r e ) o e a 主要围绕监控级寄存器，解释异常模型和存储器管理结构的有关细节， 定义应用于搡作系统的特权级资源，以及基于特权级的时基特征。一个基于o e a 的应用在遵守o e a 结构的同时，还需遵守u i s a 和v e a 结构。 p o w e r p c 的技术性能直接关系到本系统所要求的实时性、可靠性。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 论文所作的工作 本文在嵌入式l i n u x 环境下基于嵌入式微处理器m p c 8 5 0 设计了一种通信 平台。在此平台基础上又提出了一种蓝牙解决方案。具体内容包括： 1 、m p c 8 5 0 主体电路设计： 论文首先分析了作为系统核心部件的m p c 8 5 0 的功能结构。在此基础上设 计主体电路，主要完成系统启动与复位、内存分配与管理、中断响应与处理、 外部总线接口、时钟与电源管理、系统开发与调试功能等的设计工作。 其中，系统启动与复位部分主要研究系统在启动过程中的各项安全保障， 并且设计实现外部软，硬复位及k e e p a l i v e 上电复位，外部软复位可用来直接进 入调试模式。内存分配与管理部分设计实现m p c 8 5 0 对f l a s hr o m 和s d r a m 的访问操作，并且根据嵌入式l i n u x 环境选择内存容量，进行内存映射表配置。 中断响应与处理部分主要分析系统中各种中断源的产生及内部处理机制，以便 于在主体电路对外部驱动时对中断向量表的编制。外部总线接口、时钟与电源 管理部分分别确定了系统的总线工作模式、时钟模式及主体电路节能方式。在 系统开发与调试功能部分采用b d m 调试口为系统提供了开发与调试功能。 2 、外部控制与通信电路设计： 论文在m p c 8 5 0 通信处理器c p m 功能基础上设计实现了一种外部通信环境 的应用方式。实现的通信接口包括：2 个e t h e m e t 接口、2 个r s 2 3 2 接口、1 个 r s 4 8 5 接口、1 个u s b 接口、1 个i s d n 接口和1 个a t m 接口。作为硬件设计， 本文详细阐述了各种通信接口芯片的功能、与微处理器的信号连接及收发过程 中的数据传输。外部控制电路采用p l d 器件实现，用来完成系统外围的一些辅 助控制功能，提高系统运行的稳定性。 3 、蓝牙功能设计 为系统增加蓝牙功能的基本出发点是为此通信平台提供蓝牙无线接口，在 此基础上可以实现蓝牙设备的无线接入。同时，具有蓝牙功能的嵌入式平台也 可以作为蓝牙设备组建蓝牙无线网络。本文采用双芯片设计方案，确定了硬件 子系统模型，分析了高层协议栈结构，并描述了其使用配置。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章m p c 8 5 0 主体电路设计与实现 m p c 8 5 0 是一种通用的3 2 位嵌入式通信控制器。它基于p o w e r p c 内核，以 r i s c 体系结构为基础，在片集成了微处理器和多种外设接口的专用通信芯片， 具有强大的通信和网络协议处理能力，可广泛应用于各种通信和网络产品中。 它提供的功能与m p c 8 6 0 相似，在m p c $ 6 0 系统功能基础上增加了对u s b 的支 持，提供的双端口r a m 容量增为8 - k b y c e ，对串行通信控制器s c c ( s e r i a l c o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 、c a c h e 、内存管理单元m m u 、p c m c i a 、t d m 口 等部件做了简化。 有鉴于m p c 8 5 0 良好的性能价格比，本系统选择其作为中央控制芯片。系 统提供了包括e 也e m e t 、r s 2 3 2 r $ 4 8 5 、u s b 、i s d n 、a t mu t o p i a 在内的多种 通信接口，并且设计增加b l u e t o o t h 功能。开发人员在此硬件平台基础上，选择 相应的嵌入式操作系统，即可进行上层应用软件开发。本系统具有可裁减性， 通过选择相关部件，用户可构建各种产品原型。 2 1m p c 8 5 0 功能结构 m p c 8 5 0 功能结构主要包括：嵌入式p o w e r p c 内核、系统接口单元( s i u ： s y s t e mi n t e r f a c eu n i t ) 、通信处理器模块( c p m ：c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r m o d u l e ) 。其功能结构的框图如图2 1 所示。主要特征包括： 嵌入式p o w e r p c 内核 增强型在片仿真调试功能 8 ，1 6 或3 2 b i t 的动态数据总线，2 6 - b i t 的外部地址总线 系统接口单元s i u 包括硬件接口监视器、伪中断监视器、软件看门狗、周期中断定时器、时 钟合成器、实时时钟和p o w e r p c 时基、复位控制器、j t a g 测试口。 内存控制器 支持与d r a m 、s d r a m 、s r a m 、e p r o m 、f l a s hr o m 等存储器的无缝 接口，通过编程可支持高速、大容量存储器，复位时支持b o o t 片选使能，b l o c k 容量范围从3 2 k b ”e 至2 5 6 m b y t e ，具有可选写保护功能，在片的总线仲裁功能 支持外部总线以及支持突发模式。 中断 包括8 个外部中断请求线i r q ，1 2 个具有中断能力的管脚端口，1 5 个内部 中断源，在s c c 和u s b 之间可进行优先级编程 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 通信处理器模块c p m 支持7 个串行通道，包括： 一2 个串行通信控制器s c c ，支持e t h e m e t 、a t m 、h d l c 和其他多 种通信协议 一1 个u s b 信道，2 个串行管理控制器s m c 1 个1 2 c 端口 一1 个串行外围接口s p i 通用定时器 4 个独立的波特率产生器 在电气性能方面，m p c 8 5 0 - r 作于3 3 v ，且兼容5 vt t l 电平。在电源管理 方面，m p c 8 5 0 支持各种节能模式，可工作于正常、打盹、休眠、深度休眠、关 电等状态。 系统接口单元s i u j 指令l 2 k 字节指令c a c h e 嵌入式 、总缱r 内存控制器 弋 指令u lu 。j 6 c dl 总线接口单元 、 p o w e r p c 内核 装载 l 、 总线j r系统功能 黧 f i k 孚节y e a , c a c h e i实时时钟 数据m m up c m c i a 接口 波特率i 4 个通用 f 中断 l 双端口 通信处理器 发生嚣f 定时器i 控制器l r a m 1 4 个虞拟 模块 s d m a 通道 c p m 鬻1 雾凹 t 2 个虚拟 i d 通道 00外围总蛙 0000000 s c c 2 l s c c 3 l s m c i i s m c 2 u s bs p il t d m a l 时_ 韩_ 墨l 非复用串行接口 圈2 1m p c 8 5 0 功能结构框图 2 2 系统启动与复位 在系统的整个启动过程中，可能产生硬件和，或软件故障，对此m p c 8 5 0 提 供了有效的系统安全保障。主要特征如下： 系统配置允许奇偶校验控制，可显示周期操作、掩码常数等。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 总线监视器一一相关信号引脚有t a ( t r a n s f e ra c k n o w l e d g e ) 、t e a ( t r a n s f e re r r o r a c k n o w l e d g e ) 、f r s ( t r a n s f e rs t a r t ) 等。总线监视器用来监视f r a 对内部主机初始化后总线访问的响应时间，测量f r s 与任意总线周期端点之间的 时间，如果f r a 的响应超时，则指定t e a 信号。 软件看门狗定时器s w t ( s o f t w a r ew a t c h d o gt i m e r ) 如果软件运行 出现故障且超时，看门狗设置将指定软件复位s r e s e t 或系统复位中断n m i ( n o n m a s k a b l ei n t e r r u p t ) 。此定时器可以设置为无效，超时时间也可变更。 周期中断定时器p i t ( p e r i o d i ci n t e r r u p tt i m e r ) 通常p i t 与实时操 作系统或应用软件配合使用，由p i t r t c l k 时钟计时，可设置为无效。 p o w e r p c 时基计数器为操作系统或应用软件提供了一个时基参考。 时基状态与控制寄存器t b s c r 中相关b i t 被设置到参考寄存器，当两个参考寄 存器中任意一个的设置值到达时，则产生一个可屏蔽中断。 p o w e r p c 递减计数器在时基频率上提供了递减计数或中断计时。 实时时钟r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 为操作系统或应用软件提供了日 期时间信息。当计数器达到报警寄存器设置的数值，则产生一个可屏蔽中断。 冻结功能系统接口单元s i u 最终决定软件看门狗定时s w t 、周期 中断定时p i t 、时基、递减以及实时时钟在冻结状态是否继续运行。 这些功能充分保证了系统启动与运行的可靠性。 m p c 8 5 0 内部的复位时钟具有复位控制逻辑，决定复位起因、同步以及复 位相应的逻辑模块。概括起来，m p c 8 5 0 总共具有以下复位源： 上电复位 外部硬复位 内部硬复位：包括失锁、软件看门狗复位、校验停复位、调试口硬复位 j t a g 复位 外部软复位 内部软复位：指调试口软复位 所有这些复位源均馈迸复位控制器，并且根据复位源的不同而产生不同动 作。从复位产生的影响来看，上电复位层次最高；其次是硬复位，可以初始化 内存控制器、系统保护逻辑、中断控制器和并行i o 信号；最后是软复位，在维 持系统配置的情况下，初始化内部逻辑。复位状态寄存器可以反映出最近产生 复位的复位源。 除了m p c 8 5 0 内部复位源之外，本系统提供了k e 印a l i v e 上电复位、手动 硬复位、手动软复位。 k e e p - a l i v e 上电复位由电压监测器产生。电压监测器采用s e i k o 公司的电压 监测芯片s - 8 0 1 2 2 a l m c - j a h - t 2 ，连接m p c 8 5 0 的供电电压。当供电电压超出 监测电压范围2 2 v 2 0 时，产生上电复位，m p c 8 5 0 的p o r e s e t 输入信号管 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 脚被指定。在p o r e s e t 被外部逻辑取消之前，包括m o d c k 1 ：2 管脚在内的上 电复位配置被取样。m o d c k i ：2 】决定了m p c 8 5 0 的时钟操作模式。 手动硬复位主要用来配置内部硬件和开发口，以支持脱离调试口操作的应 用开发，；手动软复位不改变内部机制状态，仅重新配置开发口，主要用来支持 常驻调试功能。当i - i r e s e t 被指定时，s r e s e t 也被指定。 在硬复位序列期间，如果很s t c o n f 管脚被指定，则m p c 8 5 0 数据总线 d 【0 ：l5 】的状态被取样，从而获得硬复位配置信息。硬复位配置字由b c s r 0 驱动， 包含了仲裁、中断前缀、b o o t 使能、b o o t 口宽度、初始化内部空间基、调试管 脚配置、外部总线划分要素等。同时它也作为上电后的缺省值，变更之后b c s r 0 可以被重新赋值，并且在硬复位后生效。 软复位的配置由调试口控制器通过应用开发接口a d i 提供。在s r e s e t 取 消之前，d s c k 被取样以决定调试模式使能或不使能；如果调试模式使能，则 s r e s e t 取消后，d s c k 再被取样以决定是否进入调试模式。d s d i 用来决定调 试口的时钟模式，在，s i 砸s e t 取消后被取样。 以上复位与配置功能，在本系统中均通过可编程逻辑器件p l d 实现。为实 现正确的硬复位配置字，系统设计了数据缓存功能。另外，对于外部按钮触发 还增加了去抖功能。使用p l d 实现主要具有以下优点： 复位逻辑与进出调试模式实现简单 可通过编程改变复位配置信息 可通过编程控制复位迟延 减少外围元件，使电路尽量小型化 可靠性较高 2 3 内存分配与管理 m p c 8 5 0 的内存控制器负责控制8 个内存槽，这8 个内存槽被通用片选机 制g p c m ( g e n e r a l - p u r p o s ec h i p - s e l e c tm a c h i n e ) 和一对用户可编程机制u p m ( u s e r - p r o g r a m m a b l em a c h i n e ) 所共用。 其中，g p c m 不支持突发方式，性能比较简单，主要用于b o o t - l o a d 和访问 无突发功能的映射存储器。而u p m 支持突发方式，性能较复杂，适用于为d r a m 器件提供接口。u p m 还支持外部总线的地址复用、周期定时、为行列地址时隙 产生可编程的控制信号。这些控制信号可以产生不同的时序图样，从而定义外 部控制信号在普通读写访问以及突发读写访问请求下的动作。周期定时用于初 始化刷新周期，并且可以产生用户自定义的刷新周期。 内存槽通过哿存器b r x m s 指派内存控制机制。地址译码通过比较a f o 1 6 1 与寄存器o r x h m 和寄存器b r x 【b a 】获得。其中，o r x h m 负责地址总线上 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a 0 1 6 的掩码，使得不同地址宽度的外部存储器都可用，通过清除或设置不同 顺序，外部存储器可驻留在地址映射表的多个区域：b r x b a 负责比较基本地址， 与o r x a m 配合使用，以决定哪个内存槽被访问。在芯片内部，内存控制器自 动将外部2 6 - b i t 的地址总线扩展为3 2 _ b i t ，高6 位置0 。在芯片外部，每个内存 槽对应一个相应的外部片选信号c s n 。每当发生总线周期访问请求时，通过比 较匹配地址和地址类型，可选择到相应的内存槽，并由相应的控制机制取得对 外部信号的所有权，实现访问控制直到周期结束。对于多个匹配发生的情况， 由序号最低的内存槽处理访问。c s 0 比较特殊，主要用于复位后c p u 访问b o o t e p r o m 。基本的内存控制操作如图2 2 所示： 内部外部存储器访问请求选择 外部信号 图2 2 基本的内存访问操作 使用内存控制寄存器还可实现8 ，1 6 和3 2 - b i t 端口宽度的配置、内存槽写 保护、地址类型保护、奇偶校验等功能。 本系统设计使用了l 片4 m bf l a s h e 2 p r o m 和2 片1 6 m bs d r a m 。其中， f l a s he 2 p r o m 采用i n t e l 公司的2 8 f 3 2 0 8 3 ，占用b a n k o ，对应于c s o 片选信 号，内存管理机制选择o p c m ，数据总线宽度为1 6 b i t ；s d r a m 采用s a m s u n g 公司的k 4 s 2 8 1 6 3 2 b ，占用b a n k i ，对应于c s i 片选信号，内存管理机制选择 u p m a ，2 片s d r a m 并行使用，数据总线宽度为3 2 - b i t 。内存硬件设计如图2 3 所示。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f 1 a s h a 2 0 0 d 1 5 一们 c e o e 舵 s d r a m a u 一0 】b c l 一0 d 1 5 0 1 0 c s r a s c a s 舵 u ( l ) d o m 图2 3 系统内存硬件设计 实现系统内存资源的管理需要配置内存映射表，映射关系通过内存映射寄 存器i m m r ( i n t e r n a lm e m o r ym 印r e g i s t e r ) 实现。根据系统内存硬件配置以及 m p c 8 5 0 内部r a m 映射关系等，可组织内存映射表如下。其中，空白部分作为 预留，一旦需要可重新编程。 地址范围存储器类型 0 0 0 0 0 0 0 0 - 0 i f f f f f fs d r a m 0 2 0 0 0 0 0 0 - 0 2 7 f f f f f 0 2 8 0 0 0 0 0 - 0 2 b f f f f ff l a s h 0 2 c 0 0 0 0 0 - f e f f f f f f 、 f f 0 0 0 0 0 0 - f f 0 0 3 f f f m p c 8 5 0 内部洲 f f 0 0 4 0 0 0 - f f f f f f f f 表2 - 1 系统内存映射表 2 4 中断响应与处理 m p c 8 5 0 通过系统接口单元s i u 处理系统中断，中断源主要包括：p o w e r p c 安全机制产生的中断、s i u 内部中断、调试口中断、通信处理器模块c p m 接受 的内部和外部中断、外部i r q 信号等。其中断结构如图2 - 4 所示： 第l l 页 l 5 s l r 3 l c p w 卜p ，肛 l r 0 舡d 58cpm 】nv 1 1 oqu】 l l l s l l l 3 3 3 p c p p p 一 一 一g ，g g g 0 6 0 s d b， 里堕塾耋垫查态兰堑塞竺堕兰堡鎏壅 圈2 - 4m p c 8 5 0 中雨结掏 c p m 产生的中断请求由c p m 中断控制器c p i c ( c p mi n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) 管理，负责接受和指定优先级。对于同时产生多个中断请求的情况，可通过c p m 中断屏蔽寄存器c i m r ( c p m i n t e r r u p tm a s kr e g i s t e r ) 屏蔽掉个别中断源。虽然 所有提交到s i u 的c p m 中断处于同一优先级，但在c p m 内部仍然可以为这些 中断源编制中断请求级别。对于u s b 和s c c 的中断优先级以及c p m 内部最高 优先级的设定，m p c 8 5 0 重新排序的能力受限。 在s i u 中，每个外部a r q 信号和每个内部中断源均被指定一个优先级，从 高到低依照图2 _ 4 中o 7 的顺序。比较特殊的是软件看门狗定时器和外部t r q o 信号，它们将产生一个不可屏蔽的中断请求n m i 。对此内核将指定一个系统复 位中断向量，当其它中断也被接受时，将跳转到外部中断向量。 c p i c 送到s i u 的中断请求通过内核得到响应，并通过中断向量寄存器c r ( c p m i n t e r r u p tv e c t o rr e g i s t e r ) 获得确认。同时c i v r v n 被5 _ b i t 向量刷新， 以此来指示中断源。在s i u 中，中断提交寄存器s i p e n d 和中断屏蔽寄存器 s i m a s k 负责中断请求的操作。期间设置屏蔽修改的过程是为了确保已经提交 的中断在响应前不被屏蔽，以此来防止可能发生的中断错误。内核将所有s 1 u 提交的中断都作为外部中断处理，响应后选择进入中断向量表，根据中断向量 跳转到相应的外部中断入口，执行外部中断程序，再跳转到用户中断服务程序， 最终完成对中断事件的处理。中断源的确认即通过执行了相应的中断程序得到 体现。 中断向量表存放在地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 或0 x f f f 0 0 0 0 0 处，占用8 k 字节空间， 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中每个中断向量占用2 5 6 个字节。 2 5 外部总线接口、时钟与电源管理 2 5 1 外部总线接口 m p c 8 5 0 的外部总线负责主机与存储器或外设之间的信息传输。总线可选 择8 ，1 6 或3 2 b i t 的共行宽度，且遵守握手协议。 其中，地址总线负责指定传输的地址，数据总线负责传送数据，控制总线 负责指示总线周期的肩始和类型以及传向地址的空间和大小。总线采用同步工 作方式，总线和控制输入信号的建立、保持时间必须与时钟的上升沿合拍。1 个 单拍总线周期最少为2 个时钟周期。 m p c 8 5 0 产生的系统时钟输出c l k o u t 直接设置总线接口的工作频率。本 系统工作频率设置为5 0 m h z 。在m p c 8 5 0 内部使用一