（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式powerpc处理器的虚拟媒体在服务器中的设计.pdf

摘要 摘要 本文研究并设计了一种基于p o w e r p c 处理器的嵌入式应用系统，并完成了 系统的硬件设计和底层软件设计。该系统的硬件在c a d e n c e 公司的e d a 环境 下开发，采用高速p c b 设计方法，以保证系统硬件的可靠性。系统充分利用了 p o w e r p c 处理器高性能、低功耗、低成本的优点，扩展了平台的通用接口，为 应用提供了经济、完善的解决方案。 论文首先综合论述了嵌入式系统、e d a 技术的发展现状、虚拟媒体和研究 工作的意义和研究的主要内容。详细分析了系统的功能需求，并在此基础上提 出了系统的总体设计方案及设计原则。然后介绍了系统实现的硬件核心，本系 统的硬件核心是m o t o r o l a 公司推出的嵌入式处理器m p c 8 5 2 t ，对m p c 8 5 2 t 的内部系统架构阐述并给出了m p c 8 5 2 t 的典型应用框图。对系统的硬件开发环 境的阐述，包括系统设计流程和设计原则。其次详细介绍系统的硬件设计和底 层软件设计，分模块的介绍系统各个功能的具体实现。最后给出了本文研究的 主要结论，并对系统进一步的优化工作进行展望。 关键词：p o w e rp c ：嵌入式系统；m p c 8 5 2 t ：嵌入式处理器；v x w o r k s a b s t r a c t a b s t r a c t a ne m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do np o w e r p cp r o c e s s o ri sr e s e a r c h e da n d d e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a n dt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n dt h ed r i v e rs o f t w a r ed e s i g n i sc o m p l e t e da sw e l l t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi sd e s i g n e dw i t l lc a d e n c ep c b s y s t e m s i tu s e st h eh i g hs p e e dp c bd e s i g nm e t h o dt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo f s y s t e mh a r d w a r e t h es y s t e mf u l l ym a k e su s eo ft h ea d v a n t a g e so ft h ep o w e r p c p r o c e s s o r ，l i k et h eh i g hp e r f o r m a n c e ，t h el o wp o w e rl o s s ，t h el o wc o s t i te x p a n d st h e p l a t f o r mg e n e r a li n t e r f a c ea n dp r o v i d e sa ne c o n o m ya n ds o u n ds o l u t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o n f i r s t ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ee m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e m s ，t h ed e v e l o p m e n to f e d at e c h n o l o g y ，t h ev i r t u a lm e d i aa n dt h es i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c hw o r ka sw e l l a st h em a i nc o n t e n tr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so ft h es y s t e m s f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i tp r o p o s e st h eo v e r a l ls y s t e md e s i g np r o g r a m sa n dt h e d e s i g np r i n c i p l e s n e x t ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec o r eo ft h es y s t e m r e a l i z a t i o n , w h i c hi st h ee m b e d d e dp r o c e s s o r m p c 8 5 2 to fm o t o r o l ac o r p o r a t i o n t h em p c 8 5 2 ti n t e m a ls y s t e mc o n s t r u c t i o ni sa l s od e s c r i b e da n dt h em o d e l a p p l i c a t i o nd i a g r a mo ft h em p c 8 5 2 ti sg i v e na sw e l l i ti n t r o d u c e st h es y s t e m h a r d w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h ef l o wo fs y s t e md e s i g na n d p r i n c i p l eo fd e s i g n t h e n ，i te l a b o r a t e so nt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n dt h ed r i v e r s o f t w a r ed e s i g n , p r e s e n t i n gac o n c r e t er e a l i z a t i o no f v a r i o u sm o d u l ef u n c t i o n s a tl a s t ， t h et h e s i sg i v e st h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sr e s e a r c ha n dt h ep r o s p e c to ff u r t h e r o p t i m i z i n gw o r ki sa l s op r o p o s e d k e y w o r d s ：p o w e rp c ；e m b e d d e ds y s t e m ；m p c 8 5 2 t ；e m b e d d e dp r o c e s s o r ； v x w o r k s i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：竹匆垮签字日期：功叼年，月群日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盍堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权：书) ， 学位论文作者签名：竹匆印导师签名：纠fi 旷驿 j l 1 签字日期：叫年，z 月油日签字日期：刃一7 年f 明可日 、 i| 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 嵌入式系统的发展现状 1 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统一般指非p c 系统，软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的最大特点 是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的 应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。 嵌入式系统包括硬件和软件两个部分。硬件包括微处理器、存储器及外设器件 和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件和应用程序编程。有时 候设计人员把这两种软件结合起来。应用程序控制着系统的运作和行为；而操 作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用【1 1 。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具备以下几个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断【2 】。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如功耗需要只有m w 和甚至u w 级囱。 1 1 2 嵌入式系统发展现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发 展空间。美国著名未来学家葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式 智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。嵌入式系统是将先进的计 算机技术、半导体技术和电信技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这 第1 章绪论 一点就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。 今天嵌入式系统带来的工业产值已经超过了1 万亿美元。来自美国嵌入式 系统大会( e e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计 算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。 在国内，“维纳斯计划”和“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息家 电这两年更成了i t 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特 定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开 发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。 嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一 个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机 之分变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及会融、航天、 电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有些学者断 言，嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰【2 j 。 1 1 3 嵌入式系统发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美 好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新 的挑战。这主要包括：支持日益增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移 动应用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容 日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌 入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升 级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、“位r i s c 芯片或信 号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具 技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，己进入我国市场的有 w i n d r i v e r , m i c r o s o f t ，q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产 品如科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅包括 d e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l 、交叉开发工具套件、 2 第1 章绪论 测试工具、应用组件等：此外，中科院也推出了h o p e 嵌入式操作系统。 2 网络互联成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，2 1 世纪的嵌入式系统要求配 备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 信接口，相应需要t c p i p 协议族软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、 灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要 求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接 口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应 用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器， 如h t m l ，w m l 等。 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内 存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选 用最佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因 此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a , w e b 和w a p 等。 4 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之 间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通 过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中 心的多媒体界面。 1 1 4 嵌入式处理器概述 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处 理器核生产不同型号的芯片。本节主要介绍以下几种嵌入式处理器。 m i p s m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e 的缩写，是一种处 理器内核标准，它由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计制造高 性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重 要地位。m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出8 2 0 0 0 处 理器之后，陆续推出r 3 0 0 0 ，r 4 0 0 0 ，r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变化， 3 第1 章绪论 把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标 准，集成了原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位和“位处理器内核【l l 。 p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范非常广泛，从高端的工 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方 面 2 1 。 目前p o w e r p c 核微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 7 0 0 m h z 不等， 它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 p o w e r p c 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便 携式计算系统、数字消费产品、工业控制等领域f 8 】。 x 8 6 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展初2 8 6 ，3 8 6 ，4 8 6 。直到现在的 p e n t u i m 4 。a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是 第一款主流的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可 以保持兼容性，但是同时也限制了c p u 性能的提高。 a i u d a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造 商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功 耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持， 在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前己经占有7 0 以上的3 2 位嵌 入式产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现 在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华为 技术等公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。目前非常流 行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i 、s t r o n g a r m 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、 a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 、a r m 9 4 6 t 、a r m 9 6 6 t 、a r m i o t d m i 等，自v 5 以 后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc l l i p ) 结构的芯片1 2 】。 4 第1 章绪论 1 1 5 嵌入式系统软件特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也与通用计算机( p c ) 有所不同1 4 】。 1 ) 软件要求固化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 2 ) 软件代码高质量和高可靠性 尽管半导体技术的发展，使处理器速度不断提高，片上存储器容量不断增 加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此， 要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序一进制代码长度，提高执行 速度。 3 ) 许多应用要求系统软件( o s ) 具有实时处理能力 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调 度是保证每个任务及时执行的关键。单纯通过提高处理器速度是无法完成和没 有效率的。这种任务调度由嵌入式操作系统来完成，因此要求操作系统具有实 时处理能力【”。 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业标准化道路的基础 1 1 6 嵌入式操作系统v x w o r k s 本单板设计采用的嵌入式操作系统是：v x w o r k s 。v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司的一种嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，自8 0 年代初开始涉足商业化嵌入式 实时操作系统市场以来，依据其良好的持续发展的能力、高性能的内核及友好 的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域地位逐渐提高，主要的商业用户 包括：c i s c os y s t e m s 、b a yn e t w o r k s 、3 c o m 等著名公司，应用实例包括著名的 火星探测车、爱国者导弹等。 v x w o r k s 有以下特点： ( 1 ) v x w o r k s 支持多种开发和运行环境，系统运行环境支持p o w e rp c 、6 8 k 、 c p u 3 2 s p a r c 、i 9 6 0 、x 8 6 、m i p s 等众多c p u 及支持r j s c 、d s p 等技术，支持 多种硬件环境也是v x w o r k s 得以流行的一个重要原因【6 l 。 ( 2 ) 具有一个高性能的操作系统内核w i n d 。 ( 3 ) v x w o r k s 具有友好的丌发调试环境，便于操作、配置和应用程序的开 5 第1 章绪论 发调试。 1 2 虚拟媒体 在当今企业中，服务器系统管理面临的问题( 本单板设计的缘由) ： ( 1 ) 难于管理 由于企业p c 服务器分布在不同位置，特别是随着移动p c 比例的增加，导 致p c 服务器管理系统更加难以定位、控制和管理大量的p c 服务器。所有p c 服 务器系统硬、软件很难进行统一和标准化，因为p c 服务器的品牌、硬、软件种 类、配置太多、太复杂了。因此，对于企业桌面系统管理员来讲，部署、管理 和维护分散在企业各个角落以及各地的桌面系统是一个十分耗时的艰巨任务。 ( 2 ) 总拥有成本很高 虽然p c 服务器的购置成本比较低，但是大量p c 服务器的管理和技术支持 成本却非常高。日常的p c 服务器管理包括部署软件、更新系统、打补丁等，会 耗费大量的人力和时间资源。另外，解决p c 服务器出现的各种软硬件问题也会 大大提高管理成本。如果在服务器出现问题时，通过远程方式而不用到机房定 位故障，这样对服务器的提供商和企业本身在成本、效率方面都非常有利。 ( 3 ) 难于保障数据的安全 确保p c 服务器上面的数据可以被成功备份、准确恢复是一件非常困难、复 杂、难于实施的工作。即使p c 服务器上的数据可以被成功备份，但是当p c 服 务器被盗的时候，其中存储的数据依然无法得到保护。 基于上面的面l 临的问题，用虚拟媒体是应对p c 服务器桌面挑战、优化资源 和管理以及灵活控制总拥有成本的有效方法。采用虚拟媒体桌面架构可以保留 完整的桌面计算环境，运行在p c 服务器上面的虚拟媒体上面包含了操作系统、 应用软件和各种配置。系统管理员采用虚拟媒体终端界面来集中管理所有运行 在p c 服务器。通过远程桌面显示软件访问和使用的企业桌面系统。这样管理员 都可以对整个p c 服务器系统实施统一的管理和维护操作，例如安装软件、打补 丁、备份数据、设置安全策略等。这样做的优点是： ( 1 ) 提高了桌面系统的可管理性 使得集中管理和部署桌面环境成为可能，包括配置、资源以及负载管理等。 ( 2 ) 快速部署桌面系统 6 第1 章绪论 桌面系统管理员可以独立于硬件部署虚拟机。通过使用预先准备好的虚拟 机模版，管理员可以在几分钟之内就部署众多桌面环境，使得很多部署过程自 动化。 ( 3 ) 增强了桌面系统的灵活性 用户可以通过单一的终端设备访问多个桌面环境。他们可以通过任意的、 连接到系统网络上的终端设备访问他们的桌面环境。系统管理员可以迅速将不 活动的桌面环境归档或删除，将其所占用的资源释放共其它桌面系统使用。 ( 4 ) 提高桌面系统的数据保护能力 系统管理员可以采用数据中心已有的数据备份系统对所有桌面环境进行统 一、可靠的备份。由于虚拟机完全独立于硬件环境，使得桌面系统的恢复操作 变得十分简单、迅速。数据的安全也得到了极大的改善，因为所有数据都集中 存储在数据中心。 ( 5 ) 更好地资源利用效率 在一台服务器上运行多个桌面环境使用户可以提高硬件资源利用效率，因 为可以为虚拟机动态调配和重新使用计算资源。 ( 6 ) 降低成本 通过将桌面环境集中并将桌面硬件标准化，虚拟桌面架构使得企业用户极 大地降低了管理众多桌面系统的难度和复杂程度，从而降低了整个企业桌面系 统的拥有成本。 1 3 e d a 发展现状 1 3 1e d a 设计技术 全球e d a 厂商有近百家之多，大体可分两类。一类是e d a 专业软件公司， 较著名m e n t o rg r a p h i c s 、c a d e n c ed e s i g ns y s t e m s 、s y n o p s y s 、v i e w l o g i c s y s t e m s 和p r o t e l 等；另一类是半导体器件厂商，为了销售他们的产品而开发e d a 工具。 较著名的公司有a l t e r a 、a m d 、t i 、x i l i n x 和l a t t i c e 等。e d a 专业厂商 独立于半导体器件厂商，推出的e d a 系统具有较好的标准化和兼容性，同时也 比较注意追求技术上的先进性。而半导体厂商开发的e d a 工具，能针对自己器 件的工艺特点做出优化设计，提高资源利用率，降低功耗，改善性能。 下面介绍一下m e n t o rg r a p h i c s 公司和c a d e n c e 公司关于e d a 板级设计的解 7 第1 章绪论 决方案： 1 m e n t o rg r a p h i c s 公司e d a 板设计解决方案 m e n t o rg r a p h i c s 公司的设计流程集目前最新产品为一体，为全面解决高品 质的印制板设计提供了一套完整方案。前端设计以设计建立和仿真为核心，后 端以高速线网的分析、布局、布线及优化为核心，为保证可制造性，在流程中 还集成了可制造性分析工具s c e p t e r 。所有这些工具彻底解决各层次影响设计一 次成功的因素，保证了设计效率。这里有一个十分关键的产品，那就是m e n t o r g r a p h i c s 公司独创的高速数字电路设计分析工具一工c x ，它是首次推出电气规 则驱动的布局、布线工具，其杰出的性能已被广大设计师所推崇【9 】。 2 c a c d e n c e 公司e d a 板设计解决方案 c a c d e n c e 公司对印刷板级的电路系统设计流程，包括了原理图输入、生成， 数字、模拟及混合电路仿真、f p g a 可编程逻辑器件设计、印刷电路板图的编辑、 自动布局、布线，印刷电路板图的输出及生产制造、m c m 电路的版图设计，以 及针对高速p c b 板m c m 电路的物理分析等，从前到后提供了完整的输入，分 析，版图编辑和制造的全线e d a 辅助设计工具”1 。 针对数字电路的逻辑分析，c a d e n c e 采用工业界喻为“黄金仿真器”的 v e r i l o g x l 为核心，配以s i m v i s i o n 所提供的直观、易用的仿真环境，构成了顺 畅的数字电路分析流程。 针对模拟电路的功能验证，c a d e n c e 采用非常符合设计人员使用习惯的工具 界面，配合高精度、强收敛的模拟仿真器所提供的支流、交流、瞬态功率分析、 灵敏度分析、参数优化等功能，可以辅助用户完美地实现模拟电路以及数、模 混合电路的分析。 在印刷电路板布局、布线设计领域，c a d e n c e 率先提出了“设计即正确”的思 想，在传统的物理约束的基础上扩充了电气约束的能力，可以解决高速p c b 电 路设计中遇到的信噪、热、电磁兼容等问题，配以智能化的无网格布局、布线 工具s p e c c t r a ，可以保证设计一次成功。在板极电路系统设计流程中，c a d e n c e 最为吸引用户的一个特点是率先实现了n t 平台与工作站环境统一的设计环境， 将e d a 软件推上n t 与u n i x 工作站全网络浮动的时代【7 l 。 1 3 2e d a 技术的未来 电子系统级设计的最新方法是硬件和软件的协同设计开发，协同验证是当 8 第1 章绪论 今系统级集成的核心。半导体器件厂商的深亚微米工艺也推动了设计方法的发 展。以高层系统级设计优化为目标，融合逻辑综合、性能仿真、形式验证和可 测性设计，具有深亚微米工艺的物理级设计和整体规划设计能力的e d a 工具与 方法正在逐渐成熟。 1 4 课题提出意义及主要研究内容 基于上述观点，研究设计基于p o w e rp c 处理器的虚拟媒体在服务器中设计。 该系统在c a d e n c e 公司的e d a 环境下开发，采用高速p c b 设计方法，以保 证系统硬件的可靠性。系统充分利用了p o w e rp c 处理器高性能、低功耗、低成 本的优点，扩展了平台的通用接口，实现虚拟媒体功能，为企业或者服务器提 供商在如果在服务器出现问题时，通过远程方式而不用到机房定位故障，这样 对服务器的提供商和企业双方在成本、效率方面都非常有利。为应用提供了经 济、完善的解决方案。这正是本课题提出的意义所在。 论文主要讨论了基于p o w e rp c 处理器的嵌入式应用系统的硬件设计和底层 软件设计。首先，我们从用户需求的角度详细阐述了本系统应该具备的功能。 其次，根据功能要求进行功能规划，把整个系统分为系统复位模块、系统时钟 模块、串行通信模块、s d r a m 模块、f l a s h 模块、以太网接口模块、u s b 模块、 r s 2 3 2 接口模块、电源模块和软件启动( b s p ) 。最后，在c a d e n c e 的e d a 环境 下完成了整个系统的单板设计。 9 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 功能设计 系统需要实现v i d e oo v e ri p 和k e y b o a r da n dm o u s eo v e ri p 的功能，下面从 系统角度阐述两种功能实现的方式。 如图2 1 所示是从系统级的角度看各个单板的位置：虚拟单板( 即：本设计 的单板：图中标有m p c 8 5 2 t 字样的位置) 和服务器板、背板( b a c kp l a n e ) 、交 换板( s w t i c hp l a n e ) 、s m m 板、远程控制台之间的相互关系，本单板( m p c 8 5 2 t ) 是通过8 0 p i n 的连接器与服务器板相连接，从此角度来看，本单板( m p c 8 5 2 t ) 是服务器的一部分。 图2 1 虚拟媒体单板在服务器中位置 k e y b o a r d a n d m o u s e o v e r i p ( 虚拟媒体单板实现的功能：把控制台的控制信 息发送给本地服务器) ：远程控制台的鼠标和键盘信息，在远端控制台打包成适 1 0 第2 章系统总体设计 合于网络传输的格式，经过交换板( s w i t c hp l a n n e ) 到服务器板g e 模块到本板 m p c 8 5 2 t 的m i i 接口，m p c 8 5 2 t 的作用是把从m i i 接口中含有的鼠标、键盘 信息转换成l o c a l b u s ，这样做的目的是方便与u s b 控制器( i s p l l 8 1 ) 做无缝连接， 故u s b 控制器把l o c a lb u s 信息转换成适合u s b 的帧格式，传送给服务器板的 南桥( 即e s b 2 ) ，这样实现了k e y b o a r da n dm o u s e o v e ri p 。 v i d e oo v e ri p ( 此功能是由另一块单板卡实现的，它的实现方式：把本地服务 器的图像信号在控制台上重现) ：服务器板的c p u 下发命令经m c h ( 北桥) 到 e s b 2 ( 南桥) ，e s b 2 通过自身的p c i 总线访问显卡芯片z 9 ( 此芯片功能是：由 p c i 总线转d v i ( 数字视频接口) 信号) ，在通过服务器板的b m c 把d v i 信号 转换成m i i 信号，通过g e 模块通过网络传输( 这就实现了v i d e oo v e ri p ) 给远 程控制台。如图2 2 所示。 图2 2 实现v i d e oo v e ri p 功能系统框图 虚拟媒体单板在服务器中的位置非常关键，当然是实现k e y b o a r da n dm o u s e o v e ri p 不可缺少的部分，同时为了将来的需求的扩展，还提供远端控制台升级 服务器板的软件，这样从企业或者是运营商的成本控制，网上维护等角度，都 第2 章系统总体设计 是有非常重要的战略意义。 虚拟媒体单板的实质上是以p o w e r p c 为内核的嵌入式处理器架构，当然遵 循嵌入式系统的架构，虚拟媒体单板系统的构架可以分成四个部分：处理器、 存储器、输入输出和软件，如图2 3 所示。 软件l l 二= = 输出 图2 3 嵌入式系统的架构 首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上具有 嵌入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 多种，3 0 多个系列。不同的处理器有 其不同的功能和优势【2 】。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊 要求。目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。本系统就需要f l a s h 和 s d r a m 。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求来说，需要 考虑容量大的，性能稳定的存储器。就f l a s h 来说，还需要考虑f l a s h 的擦除等 软件操作是否方便。 再次，要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外围设备。本系统是一 个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口( 此通信接口是在单板 总体设计阶段必须确定，对单板详细设计和后期单板调试带来极大的方便) ： 1 r s 2 3 2 串行接口 目前r s 2 3 2 是p c 与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定 义为种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该串口 下载、调试程序和虚拟媒体单板与服务器进行串行通信( 单板建立网络连接时 第2 章系统总体设计 候的配置信息等操作) 。 2 u s b 接口 u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口标 准。嵌入式设备要与服务器进行高速通信，那么u s b 接口当然是理想的选择。 在本设计中，虚拟媒体单板整体( 从服务器的角度来看，在本设计中是用来与 南桥进行通信，作为u s b 设备供南桥访问。) 映射为一个u s b 设备，使得远程 的鼠标和键盘等信息得以实现。 3 以太网接口 在i n t e m e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了生活中各个领域。在嵌入式 系统方面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最热的研究方向和必然趋势。 因此，在本系统中，以太网接口是必不可少的。 4 键盘和液晶屏( 可选) 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件， 可以把嵌入式控制器的功能发挥更大，并且可以用于现场调试。在本单板的调 试过程中，共用服务器的鼠标和键盘，故无需另行设计。 最后，本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择有几个方 面： ( 1 ) 是否支持目标硬件平台； ( 2 ) 可移植性要求； ( 3 ) 支持多任务并具有实时性； ( 4 ) 开发工具的支持程度； ( 5 ) 源代码还是目标代码； ( 6 ) 许可性。 2 2 功能规划 根据以上的需求，考虑到应用的领域、用户的需求、成本问题和开发的难 易程度等因素，我们采用的处理器m o t o r o l a 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理 器m p c 8 5 2 t ，它是高度集成化的嵌入式处理器，m p c 8 5 2 tp o w e r q u i c c 集成了 三个模块，一个中央处理块是嵌入的p o w e r p c 核，一个是通信处理模块 f c p m ：c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rm o d u l e ) ，还有一个是系统接口单元( s i u ) 。由于 1 3 第2 章系统总体设计 c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要 低于传统的体系结构的处理器。嵌入式m p c 8 5 2 t 内核可达l o o m h z ，扩展总线 最大频率是6 6 m h z ，5 0 6 0 m h z 内核频率支持l ：1 模式和2 ：1 模式，8 0 1 0 0 m h z 内核频率支持2 ：l 模式。m p c 9 5 2 t 系统集成单元主要包括：总线监视器、中断 监视器、软件看门狗、中断定时器、时钟合成器、p o w e r p c 减量器、复位控制 器及j t a g l l 4 9 1 测试i ( j t a g l l 4 9 1 一种基于j t a g 的规范) 。以上性能理想地适 用于各种有线和无线的通信处理任务，极大地满足了控制层繁重的任务处理及 传输层高带宽的要求，且以低功耗为目的进行优化【8 】。 图2 4 虚拟媒体单板系统结构图 如图2 4 所示的就是本单板系统的结构图。系统需要扩展1 6 mb y t e 闪存 ( f l a s h ) ，用于存放所有的指令代码和参变量：扩展1 6 mb y t e 的同步动态数据 存储器( s d r a m ) 用于存放数据和运行程序；扩展以太网1 2 1 ( e t h e r n e tp o r t ) 模块，进行以太网通信；u s b 模块用于与本地服务器的南桥进行通信，扩展r s 2 3 2 口，下载程序用于调试( 另本地服务器扩展键盘和液晶显示，用于现场显示操 作) ；另外还有复位电路( r e s e t ) ，实时时钟( c l o c k ) 模块等。 由于该系统核心器件( m p c 9 5 2 t 、s d r a m 等) 均为高速器件，从而该系统的 p c b 是在c a d e n c e 公司的e d a 环境( p e ad e s i g ns t u d i o ) 下，采用高速p c b 设 1 4 第2 章系统总体设计 计方法，进行全面仿真设计，以保证系统硬件的可靠性。 系统的软件平台采用嵌入式v x w o r k s 操作系统。它已经被成功地移植到了 p o w e rp c 处理器上，可以支持许多种基于p o w e rp c 处理器的系统。 2 3 设计原则及扩展性 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计合理，确保测量的精度，以获 得最佳的设计效果，应该注意以下几个设计原则： ( 1 ) 用功能更完善或是最新的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系 统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片，提高了 系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。 ( 2 ) 电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据 处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计 时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h 、s d r a m 等芯 片的选取上，即考虑了现在的实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大 容量的型号，留有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。 ( 3 ) 以软件代硬件 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件， 这样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情 况下，用软件代替硬件是很合算的。 ( 4 ) 选用h c m o s 工艺的芯片，目的是降低功耗 考虑到嵌入式系统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用h c m o s 工艺的低功耗的芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的 无故障使用时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。 ( 5 ) 仔细讲究布局布线 为了得到更高的精度和提高系统的可靠性和抗干扰能力，首先在电路布局 时应该尽量考虑电源和地的划分。在多层板中，其中有单独的电源层和地层。 但是由于存在着多种电源，例如3 3 v 、2 5 v 、5 v 。所以布局时应该尽量把相同 性质电源的器件放在一起( 指电源的上电的顺序同一时刻或者上电时间相差不 1 5 第2 章系统总体设计 大的电源，这样电源的电流的走向大致相同) ，以便于电源层不同电源之间的划 分。同时，在地层也要进行块划分( 统筹整个单板的布局，合理分布地平面铺铜 皮) 。例如模块中有器件与其他器件不共地，或者是需要单点接地。其次由于是 s d r a m 的工作频率比较高，在布局的时候就要进行仿真，防止各种干扰，如 g r o u n db o u n c e 、c r o s s t a l k 、r e f l e c t i o n 等，并注意终端匹配，保证信号的完整性。 最后，各个芯片都要加去耦电容，最大限度地降低干扰。 1 6 第3 章p o w e r p c 处理器及其系统概述 第3 章p o w e r p c 处理器及其系统概述 3 ip o w e r p c 简介 p o w e r p c 是一个由a p p l e 、i b m 和m o t o r o l a 公司共同开发的微处理器结构。 p