（计算机科学与技术专业论文）基于mpc8270的嵌入式系统研究和低功耗设计.pdf

基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统研究和低功耗设计 摘要 m p c 8 2 7 0 处理机属于f r e e s c a l e 公司的p o w e r q u i c ci i 系列嵌入式通 信处理机家族中m p c 8 2 8 0 处理器系列。它是目前网络和通信领域应用非 常广泛的一款嵌入式通信处理机。本文对基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统的 开发进行了较为详细和深入的研究，同时针对m p c 8 2 7 0 的特点，研究了 基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的低功耗设计并把它用于系统的硬件设计中。 本文的主要内容包括：研究了m p c 8 2 7 0 嵌入式通信处理器的基本组 成结构，分析了m p c 8 2 7 0 的内部功能模块，为以后基于m p c 8 2 7 0 的研究 和设计奠定了基础；阐述了嵌入式系统低功耗研究的意义、功耗产生的 原因和低功耗设计的一般原则，并针对m p c 8 2 7 0 的特点，提出了基于 m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统的低功耗设计技术并为系统的硬件平台选定了具 体的低功耗器件；根据所选定的硬件元器件和低功耗设计的基本原则进 行了基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统的硬件设计，包括硬件的概要设计和详 细设计；对v x w o r k s 嵌入式实时操作系统、板级支持包b s p 和系统的启 动流程进行了分析，并进行了基于m p c 8 2 7 0 的b s p 的开发，给出了硬件 平台初始化、串口驱动程序和网口驱动程序这三个部分的具体设计与实 现，重点对串口驱动程序与网口驱动程序的设计进行了深入研究。最后， 对基于m p c 8 2 7 0 的硬件平台和b s p 进行了测试，并给出了整个系统的预 估功耗和实际功耗测试结果。 关键词嵌入式系统m p c 8 2 7 0 低功耗设计板级支持包 r e s e a r c ha n dl o w p o 、凡慢rd e s i g n o f e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nm p c 8 2 7 0 a bs t r a c t m p c 8 2 7 0b e l o n g st om p c 8 2 8 0p r o c e s s o rs e r i e so fp o w e r q u i c ci i e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db yf r e e s c a l ec o m p a n y , w h i c h ，a tp r e s e n t ，i sw i d e l yu s e di ni n t e r n e ta n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf i e l d t h i st h e s i sd o e sp a r t i c u l a ra n dd e e p l yr e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nm p c 8 2 7 0 ，a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fm p c 8 2 7 0 ，t h i st h e s i s a l s od o e sr e s e a r c ho nl o w p o w e r d e s i g na n da p p l i e si ti n t os y s t e mh a r d w a r ed e s i g n t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e ：d os o m er e s e a r c ho nt h e c o n f i g u r a t i o no fm p c 8 2 7 0p r o c e s s o ra n da n a l y z et h e i n t e r n a lf u n c t i o n m o d u l e sa n di t sc o m p o s i t i o nt om a k ef o u n d a t i o no ft h er e s e a r c ha n dd e s i g n t h a tb a s e do nm p c 8 2 7 0 ；e x p a t i a t eo nt h es i g n i f i c a n c e r e a s o na n dc o m m o n p r i n c i p l eo fl o w e r - p o w e rr e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e m a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fm p c 8 2 7 0 t h ea u t h o rm a k e so u tt h el o w p o w e rd e s i g no f e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nm p c 8 2 7 0a n dc h o o s e st h ep a r t sf o rh a r d w a r e p l a t f o r m ；m a k et h ed e s i g no fm p c 8 2 7 0e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nt h e h a r d w a r ep a n sa n dl o w p o w e rd e s i g np r i n c i p l e ，i n c l u d i n go u t l i n ea n dd e t a i l d e s i g n ；a n a l y z et h ev x w o r k se m b e d d e do s ，b o a r ds u p p o r tp a c k a g ea n d b o o ts e q u e n c eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m 。a n dm a k ed e v e l o p m e n to fbs pb a s e d o nm p c 8 2 7 0 w o r ko u tt h ec o n c r e t ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r e p l a t f o r mi n i t i a l i z a t i o n ，d r i v e ro fs e r i a lp o r ta n dd r i v e ro f10 10 0 me t h e r n e t p o r t t h ed e s i g no ft h e1 a t t e rt w oa r el u c u b r a t em a i n l y ；t e s tt h eh a r d w a r e p l a t f o r mb a s e d o nm p c 8 2 7 0 ，t h eb s pa n dt h ep o w e rc o n s u m i n go ft h e s y s t e m i i i k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m l o w p o w e rd e s i g n m p c 8 2 7 0 b o a r ds u p p o r tp a c k a g e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 翻逸孳 本人承担一切相关责任。 r 期：壁墅! 三：翌 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：翻堡圣f i 其：i ：兰：呈：2 ：! 导师签名： 日期：丝血毕 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是一类计算机系统。与我们厂家的桌面计算机系统( 如个人电脑、工 作站、大型主机、服务器) 不同，每类嵌入式系统都是面向特定应用而设计的【l 】。嵌 入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统具有体积 小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前己经广泛地应 用于军事国防、消费电子、网络通信工业控制、日常生活等各个领域。随着计算机技 术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的实际意义【2 】。 1 1 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t o r l ，m o n i t o ro r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 圈。这主要是从应用上加以定义 的。不过j 上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同 的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，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纠引。 可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义【2 】： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结 合才会具有生命力、才更具有优势。即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强 的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业 的具体应用相结合后的产物。这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。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的 定位。例女l j p a l m o s 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市场，就是因为其立足于个人 电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理。而风河的v x w o r k s 之所以在火星车上 得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上 开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往 往是一个只有几k b 到几十k b 的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁 减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。 嵌入式系统本身是一个外延极广的名词o j 、l 是与产品结合在一起的具有嵌入式特 点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给它下一个准确的定义。现在人们 所讲的嵌入式系统，某种程度上是指近些年来比较热的具有操作系统的嵌入式系统。 1 1 2 嵌入式系统的基本特征 嵌入式系统通常具有如下的一些基本特征：【l 】 嵌入式系统由智能单元( 即微处理器，有时存在多个) 控制，因而是计算机系统。 但因其形态多样，多数情况下此特征为人们所忽略。 嵌入式系统所提供的功能通常具有针对性，大多是专用系统。 与桌面系统不同，嵌入式系统一般不对用户提供开发环境，用户与系统交互的唯 一接口就是系统提供给用户的最终应用。 针对某些特殊应用，如航天飞机、卫星、飞机等，嵌入式系统常常需要很高的可 靠性和长时间无人值守的工作能力。这一点对操作系统的要求至关重要。 紧凑性要求明显( 因系统而异) 。基于成本、体积、功耗和性价比等因素考虑， 许多嵌入式系统通常不追求高速且功耗大的处理器，采用尽可能少( 但够用) 的 存储器。它的软件( 或固件f i r m w a r e ) 和数据通常保存在系统的非易失存储器 上( 如f l a s h ) 。这些都对操作系统的处理性能和可裁剪性有特殊要求。 实时性需求。在给定硬件环境的条件下，系统实时性主要考操作系统和应用软件 保证。 嵌入式系统可以独立存在( 如计算器、m p 3 播放器等) ，也可以嵌入到其他系统 中提供相对独立的功能( 如个人电脑中的m o d e m 卡) 。 1 1 3 嵌入式系统发展的现状和前景 1 1 3 1 嵌入式系统发展的现状 随着信息化、网络化、智能化的发展，嵌入式技术全面展开，目前己经成为通信 和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在取代模拟技术；在广播电 视领域，美国己经开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的数字电视广播技术己在全 球大多数国家推广；数字音频广播也己进入商品化试播阶段，而软件、集成电路和新 型元器件在产业发展中的作用也同益重要。所有上述产品，都离不开嵌入式系统技术。 在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开 发包。目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，己经相对比较成熟，实现各种功 能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。 从软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统， 已进入我国市场的有w i n d r i v e r ， m i c r o s o t t ， q n x 和n u c l e a r 等公司的产品。我国自 主开发的嵌入式系统软件产品有科银京成公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，中 科院推出i 拘h o p e n 嵌入式操作系统等。 今天嵌入式系统带来的工业年产值己超过1 万亿美元。来自1 9 9 7 年美国嵌入式系 统大会的报告指出，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“女蜗计划”一度闹 得沸沸扬扬，机顶盒、信息家电也成了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，目前国际上己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数不胜数。在国内虽然嵌入式应 用很广，但该领域的开发研究却几乎还是空白，只有两三家公司和极少数人员在从事 这方面工作【2 】【3 1 。 1 1 3 2 嵌入式系统发展的前景 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现 了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，未来嵌入式系统的发展具 有如下几大发展趋势： ( 1 ) 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展。嵌入式产品将成为互联 网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于嵌 入式产品的内容，网络互联成为必然趋势。 ( 2 ) 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 将成为发展趋势。这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时， 软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态 存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。 ( 3 ) 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。一方面，已有无线产品 借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将增加无线 通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进、共同发展， 使得更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。 ( 4 ) 嵌入式系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角色包括嵌 入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展，才能 满足丰富多彩的应用要求。 ( 5 ) 嵌入式系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用， 信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也将日渐突出，如何建立相关标 准己成为业界关注的问题【2 】【3 】。 1 2 基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统的应用背景 电信市场上对性能和集成度更高的要求促使发生了一场通信处理器的革命。 m p c 8 2 7 0 嵌入式通信处理器在这场革命中应运而生。集成p o w e r p c 微处理器内核g 2 的m p c 8 2 7 0p o w e r q u i c c i i 是目前最先进的、由飞思卡尔公司专为电信和网络市场而 设计的集成通信微处理器。 飞思卡尔公司通过将高速嵌入式p o w e r p c p 勺核和集成的网络、通信外围电路相融 合，连同专用于处理底层通信任务的r i s c 通信处理机，为用户提供了一种创新地构 建高端通信产品的系统解决方案。 m p c 8 2 7 0p o w e r q u i c c i i 作为一个多用途、高性能的嵌入式通信微处理器，具有 非常灵活的一体化单元系统和外围通信控制器。尤为重要的是，它具有强大的网络通 信处理能力，这就决定了它在网络通信中运用的广泛性。以m p c 8 2 7 0 为核心所设计的 嵌入式系统，能够广泛应用于蜂窝基站、电信交换设备、以太网交换设备、遥控接 入集线器、区域办公路由器、t i e 1 到t 3 e 3 的网桥、局域网到广域网的网桥及路由器 系统等领域。该嵌入式系统在功能上可与通用计算机相媲美，可以以极小的功耗、体 积、极高的集成度替代计算机在多领域发挥作用。当前欧洲一些著名的移动通信设备 制造商已将m p c 8 2 7 0 用于了第三代通用移动通信系统u m t s 的无线传输技术u t r a 的 开发当中。 正是由于基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统在网络通信方面有如此强大的功能，而目前 国内从事该方面研究开发的工作又相对有限，因此本文以基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统 为对象进行开发与研究，并同时根据m p c 8 2 7 0 的特点提出了相应的低功耗设计技术。 1 3 论文的内容结构安排 第一章绪论。首先对嵌入式系统的概念、特点、现状和发展前景进行了叙述， 然后阐述了m p c 8 2 7 0 的应用背景，最后给出了本文的内容结构安排。 第二章m p c 8 2 7 0 处理器。本章详细介绍m p c 8 2 7 0 的内部组成结构，并对 m p c 8 2 7 0 的内部数据流动和m p c 8 2 7 0 的外部信号进行了说明，为以后的基于 m p c 8 2 7 0 的硬件平台的设计奠定了基础。 第三章基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的低功耗研究。本章首先介绍了嵌入式系统低 功耗研究的意义和c m o s 数字集成电路功耗产生的原因，然后阐述了嵌入式系统低功 耗设计的一般原则，最后针对m p c 8 2 7 0 的特点提出了基于m p c 8 2 7 0 的嵌入式系统的 低功耗设计技术。 第四章基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的硬件设计。本章首先介绍了基于m p c 8 2 7 0 的 嵌入式系统硬件平台的构成和器件安排，然后根据基于上一章所提到的基于m p c 8 2 7 0 的低功耗技术对硬件平台进行了详细设计。 第五章基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统b s p 的开发设计。本章首先阐述了v x w o r k s 操 作系统、t o r n a d o 集成开发环境、板级支持包b s p 以及系统启动流程，然后介绍了基 于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的b s p 的设计和实现，着重对串口驱动程序与网口驱动程序的 设计进行了深入研究。 第六章基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的测试。本章对基于m p c 8 2 7 0 的硬件平台和 b s p 进行了测试，并给出了整个系统的功耗预估和实际功耗的测试结果。 第二章m p c 8 2 7 0 处理器 2 1m p c 8 2 7 0 处理器内部结构 m p c 8 2 7 0 嵌入式处理机的内部结构包含三个主要功能模块：嵌入式p o w e r p c 架构 内核g 2l e 、系统接口单元( s i u ) 和r i s c 的通信处理器模块( c p m ) 【4 1 。 m p c 8 2 7 0 采用双内核结构，它包含两个内核，即基于p o w e r p c 架构的g 2l e 内核 和r i s c 的通信处理机c p m 。两个内核工作在不同频率，g 2l e 执行高层代码，完成 对外设的控制管理，c p m 处理底层的通信任务。由于c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 的工 作任务，减少了g 2l e 内核对底层通信任务的干预，从而提高了g 2l e 内核的工作效 率同时降低了系统的功耗。 两个内核通过内部的双端口r a m 进行通信以配合工作。从资源使用的角度，设 计人员主要与c p m 打交道。因此在介绍m p c 8 2 7 0 处理器的内部结构时，将重点放在 c p m 模块上。m p c 8 2 7 0 内部结构框图如图2 1 所示。 图2 - 1m p c 8 2 7 0 处理器内部框图 ( 1 ) g 2 _ l e 微处理器内核 m p c 8 2 7 0 的g 2l e 来自于p o w e r p c6 0 3 e 微处理器内核，并针对电源管理对6 0 3 e 进行了修改。g 2l e 是一个高性能、低功耗的r i s c 处理机，它是p o w e r p c 架构的一个 3 2 位移植【5 1 。 图2 - 2m p c 8 2 7 0 ( 1 2 一l ek e r n e l g 2l e 是一个超标量的处理器，每个时钟周期可以发射3 条指令。为了提高性能， 指令可以以非程序顺序执行。 g 2l e 集成了五个执行单元：整数单元( i u ) 、浮点运算单元( f p u ) 、分支处理 单元( b p u ) 、装载存储单元( l s u ) 和系统寄存器单元( s r u ) 。可以并行执行五条指令。 内核支持8 位、1 6 位、3 2 位的整数型数据和3 2 位、6 4 位的浮点型数据。包含有3 2 个6 4 位浮点寄存器f p r s ，可以用来存放3 2 个6 4 位操作数。内核还包括3 2 个3 2 位通用 寄存器( g e n e r a lp u r p o s er e g i s t e r ，g p r ) ，可以用来存放3 2 个3 2 位操作数。f p r 与g p r 可以实现数据互换。 内核还提供了独立的1 6 k b 、四路组相连指令高速缓存( ic a c h e ) 和1 6 k b 数据高 速缓存( dc a c h e ) 以及数据和指令存储管理单元m m u 。高速缓冲存储器的利用缓解 了c p u 与外部存储设备速度上的差异，避免了过多地插入等待周期，尽可能地实现了 c p u 与低速存储设备的速度匹配，最大限度的发挥了c p u 的性能。 内核有激活和非激活两种工作模式，在多处理器系统中可以让m p c 8 2 7 0 内核工作 在非激活状态，此时的m p c 8 2 7 0 可以作为从设备，主要利用其内部的通信处理器实现 不同协议数据的处理和转换。 ( 2 ) 系统接口单元s i u 系统接口单元( s y s t e mi n t e r f a c eu n i t ，s i u ) 主要包括控制系统启动和初始化等 若干功能，以及控制操作、保护以及外部系统总线管理等。另外系统接口单元的一个 重要作用就是提供芯片内部资源与外部设备的总线连接。其关键特性如下： 系统配置和保护( 提供各种监视器和定时器，! t n 6 0 x 总线监视器、l o c a l 总线 监视器、定时计数器、软件看门狗定时器、周期中断定时器等) 。 中断控制器。c p m d ? 断源s t u q j 断源i r q 1 7 p o r tc 0 1 5 。 6 0 x 系统总线接口。6 4 位数据总线和3 2 位地址总线。支持8 、1 6 、3 2 和6 4 位四 种宽度数据端口。 本地总线接口。3 2 位数据总线和1 8 位地址总线。支持8 、1 6 、3 2 位三种宽度 数据端口。主要用来拓展高速通信控制器的操作，通常用来存取a t m 连接 表和通信通道的缓冲区描述符。该总线与6 0 x 总线保持同步，运行在相同的 总线频率上。 存储控制器。支持1 2 个存储组，每组可以独立的配置由6 0 x 总线或本地总线 控制。它包括g p c m 通用控制器、s d r a m 控制器和u p m 用户编程器三种接 口，可以为s d r a m ，s r a m ，e p r o m ，f l a s h ee p r o m 和其它外围设备提 供控制接口。 l e v e l t w oc a c h ec o n t r o l l e ri n t e r f a c e 。 b r i d g e ( p c ib r i d g e & 6 0 x - t o l o c a lb r i d g e ) 。p c ib r i d g e 把l o c a lb u s 配置成p c i 接口。 符合i e e e l1 4 9 1 边界扫描测试( b s t ) 标准的测试端口( t a p ) ，供系统调 试时使用。 图2 - 3 系统接口单元框图 ( 3 ) 通信处理模块( c p m ) 通信处理模块独立于p o w e r p c 核心处理器，主要负责底层的任务和d m a 控制，分 担核心处理器的外围工作。它主要是针对网络和通信的应用而设计的。通信处理模块 内含通信处理器( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r ，c p ) 。c p 是一嵌入式3 2 位精简指令集 微控制器，驻留在c p m 本地总线上。c p m 模块包括以下几个部分： 3 2 位r i s c 通信处理器( c p ) ，能够独立执行底层通信任务和d m a 控制，从 而将g 2l e 内核释放出来执行高层任务。 两个串行d m a 。 6 4 k 字节双端口s r a m 。其中的3 2 k 用于c p m r i s c 数据r a m ，用来存储参数 和数据结构，另外3 2 k 用于c p m r i s c 指令r a m ，用来存储微代码。 四个通用1 6 位定时器或两个3 2 位定时器。 四个串行通信控制器( s c c ) 。可以支持i e e e8 0 2 3 以太网、h d l c s d l c 、 l o c a l t a l k 、u a r t 、b i s y n c 和透明传输协议。 两个串行管理控制器( s m c ) 。支持传输速率相对较慢的u a r t 模式和透明 传输。s m c 工作在u a r t 模式比较简单，它的时钟来自一个内部波特率发生 器或者一个外部时钟信号。硬件平台的r s 2 3 2 串口设计正是利用了s m c2 的 u a r t 模式。 一个多通道控制器( m c c ) 。最多可以处理1 2 8 个6 4 k b p s 的h d l c 和透明传 输通道，1 2 8 个通道可以任意分组复用到4 个t d m 接口。 三个快速通信控制器( f c c ) 。可以支持a t m 、快速以太网、h d l c 总线和 透明传输等多种协议。两个u t o p i a 接口，能够实现1 5 5 m b p sa t ms a r 功能。 f c c 的时钟( 发送和接收时钟) 最大能达到c p m 时钟的1 3 ，可以通过一个外 部输入时钟或内部时钟获得。内部时钟由波特率发生器( b r g ) 产生。硬件 平台正是利用了f c c 2 口的快速以太网模式实现了1 0 1 0 0 m 快速自适应以太 网口的设计。 一个串行外围设备接口( s p i ) 。 一个1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线控制器。 四组通用并行i o 端口，分别为p a o - 3 1 ，p b 4 3 1 ，p c 【0 - 3 1 ，p d 4 - 3 1 1 。 其中有1 6 根具有中断功能。 八个独立的波特率发生器( b r g ) ，可以为f c c ，s c c 和s m c 等提供时钟信 号。 2 2m p c 8 2 7 0 的内部数据流 图2 - 4c p m 结构框图 图2 - 5m p c 8 2 7 0 的内部数据流图1 1 至2 ：g 2l e 内核到6 0 x 总线用于装载或存储未被c a c h e 命中或不能 c a c h e a b l e 的指令和数据。地址转换由m m u 完成。 1 至3 ：g 2l e 内核到内部存储空间用于访问寄存器和双端口r a m 。地址 转换由m m u 完成。数据不能被c a c h e d 。 4 至2 ：通信设备到6 0 x 总线用于通信数据的收发和b d 的访问。数据的收 发是可突发的( 外部s d r a m ) 。不能用m m u 来做地址转换。数据不能被c a c h e d 。 4 至3 ：通信设备到内部存储空问用于通信数据的收发和b d 的访问。数据 的收发是不可突发的( 内部s r a m ) 。不能用m m u 来做地址转换。数据不能被 c a c h e d 。 1 至5 ：g 2l e 内核到局部总线桥用于装载或存储未被c a c h e 命中或不能 c a c h e a b l e 的指令和数据。地址转换由m m u 完成。 4 至5 ：通信设备到局部总线桥用于通信数据的收发和b d 的访问。数据的 收发是可突发的( 外部s d r a m ) 。不能用m m u 来做地址转换。数据不能被c a c h e d 6 1 。 2 3m p c 8 2 7 0 的信号说明 以副附”吖- 1 3 绨5 醚一 1 0 0 驼 船鼬母l 1 4 呻15 藤 i 尹；蝴b la 1 i 一4 p e l r 口y ? l a 1 t 峰o c k o t o p o u i 竺；l1 8 芝la i ? o 1 雕：l3 p ，la 1 崎o j o l 琵疆蕊la l o p c z d 0 o l 啐- - 审 靴p f 嗽 l a 甜聋_，c1 尹c0 既褂la 2 2 峙啐1a p 0 i 穗e 黝la 2 墨峰呻 ： l ：c 稚h s 瞄税i 尹0 1 la 2 4 曾： 0 0 | 8 气了鑫l 2 s 辱咛1 6 c p c jh s 乙艮拳e l 鑫斛1 t l 2 串一b 0 i c p e l 岱n u 麟嘧抛l 一玎碡- 畸 j ：鼍 c o r e _ 3 , 艇篮。f ! 翌! i 篓la 孙- 日 1 臻 口“捌嚣l 一 0 l 幸 善 哪口囝璺“d t o 寸 l 牵呻 盹l 衙焉l j c 乱一卜砩日 p c ic f 雠争喇田季旧，。1 【g 瓣田积踞阻3 l ， j a o d c k _ h w i s d a l o - - - - - - 一 1m 瑚o d g k j - 1 1 吼i 1 3 a 擀e _ 一 1e 1 0 k g p l 虹玩弼旺沈醒p i 警im g o c k h 缸g 沌胡曙踊辛一b 毋峙p l 4 ，u j p m w i t 石芒玎x - 呻 p 0 l 啪d 0 心l g p l 磊诈o1 t 蹶h1 p a i g - , , 3 i - 日 , 1 1 2 p t p b 似鑫 l 雌- 嘞 嚣i?p c 【。蚤 l 雌- 呻 o p 0 1 4 _ 3 1 | - _ 2 p c i f 婚t = p o r e s e t 睁1鞠1 曩g r 孵自 i r二 耳团：g e t o 丐再e 吼了。口 西用e 沁 1sc x f c1 t c l k 啪 1 獗i ：c： 瞄日阱呵。隙 p l 网观网r - 口 罐踩蹦籀勰黧= ，lj 雠啊他鼢璐黑隳= 二 i k 二：u 日h 2 簪 h c 2g 图2 - 6m p c 8 2 7 0 管脚图1 m p c 8 2 7 0 的信号除了电源和地外，分为以下几类： 6 0 xb u s 总线信号：包括带有8 位奇偶校验的6 4 位数据总线、带有4 位奇偶 校验的3 2 位地址总线和其他总线控制信号。 l o c a lb u s 总线信号：包括带有4 位奇偶校验的3 2 位数据总线、1 8 位的 地址总线和其他总线控制信号。 一 删一一一一一一矸骶一疆一麈f嗽一 瓣 麓一 瓣 一 一 一一一一一一一瓦砸一一一狲一搬一一一一一一一|僻谳一瑚 m e m c 信号：存储器控制器的存储器接口引脚。 r s t 信号：复位相关信号。 c l k 信号：时钟相关信号。 j t a g 信号：标准的j t a g 引脚。 p i o 信号：通用i o 和通用设备引脚。 2 4 本章小结 本章首先介绍了m p c 8 2 7 0 嵌入式通信处理器的内部组成结构，包括g 2c o r e 、 s i u 和c p m ，详细介绍了它们各自的特点和组成。然后又介绍了m p c 8 2 7 0 的内部数 据流和m p c 8 2 7 0 的外部信号，为后续的基于m p c 8 2 7 0 的设计奠定基础。 第三章基于m p c 8 2 7 0 嵌入式系统的低功耗研究 3 1 嵌入式系统低功耗研究的意义 在若干年前，集成电路设计主要集中在如何实现复杂的功能、高速的性能和尽量 小的芯片面积方面。然后是可靠性和测试问题，往往在设计成功后才考虑芯片如何散 热的问题。功耗很少被当作一个设计指标来系统地考虑。随着集成电路的规模和速度 的迅速提高、器件尺寸的缩小，电路的功耗问题显得越来越突出。推动低功耗设计发 展的主要有以下四个原因。 首先是便携式系统的出现。当人们开始满足数字系统的高速计算能力，人们又渴 望能够获得更自由的使用。于是，便携式的电子产品诞生了。移动通信、便携式计算 机和移动式多媒体设备等已成为增长率最高的产品，形成了巨大的市场。但是便携式 设备都是靠电池驱动的，电池的寿命成为制约这些产品应用的关键因素。实际上，一 个商用的便携式产品成功与否和它的重量、成本以及电池寿命有密切的关系。然而传 统的镍镉电池技术只能提供约2 3 w h r s p o u n d 的能量密度，即使目前新型的镍金属氢 化物电池也只有3 5 4 0 w h r s p o u n d 的能量密度。电池技术的发展在短时间内无法满足 日益增长的能源需求，因此以低功耗设计来延长电池寿命对便携式系统来说显得尤为 重要。而在便携式设备的整体系统功耗中，集成电路模块的功耗占相当大的比例，所 以低功耗大规模集成电路设计方法和技术的研究有重要的意义。 其次是热量问题。集成电路消耗的电源能量绝大多数都转化为热量。必须采用有 效的散热和冷却技术来维持芯片的正常工作温度，否则芯片将由于各种热现象导致的 物理原因而失效。低功耗设计可以降低系统对散热和冷却的要求，从而节省封装和冷 却成本( 例如用塑料封装代替陶瓷封装，或者减少散热片和风扇) 。 可靠性问题也是促使人们开始重视低功耗设计的原因。过大的峰值功耗和平均功 耗会引起多种可靠性问题，例如电迁移( e l e c t r o m i g r a t i o n ) 等。随着集成电路工艺的 提高，漏电流功耗增长得越来越快。当进入1 3 0 n m 或更小尺寸的工艺，漏电流功耗将 占据整体功耗的5 0 以上。而漏电流功耗增大将使器件的失效率呈指数增长。 从节约能源的角度看，降低功耗也成为十分迫切的问题。据美国环境保护组织预 测，8 0 的办公室电能消耗来自计算机设备。针对这种情况，1 9 9 3 年美国政府提出了 以节能为主题的“能源之星 计划，大力提倡“绿色电脑”。这促使大量低功耗节能 型c p u 、d s p 等产品的不断涌现【7 】。 由于以上提到的多种原因，低功耗已经成为当前集成电路设计研究领域的一个重 要课题。 3 2c m o s 数字集成电路的功耗产生的原因 由于可以高度集成，并具有低功耗、输入电流小、连接方便和具有比例性等性质， c m o s 逻辑电路被认为是现今最通用的大规模集成电路技术。低功耗设计，首先要在 物理层次上弄清该集成电路的功耗组成，其次，才能从物理实现到系统实现上采用各 种方法来节省功耗，达到低功耗设计的目的【8 】。 ( 1 ) 动态功耗 p 。w = a c v d d 2 f式( 3 - 1 ) 动态功耗是由电路中的电容引起的。设c 为c m o s 电路的电容，电容值为p m o s 管从0 状态到h 状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为v d d 时， 从o 到h 状态变化( 输入端) 所需要的能量是c v d d 2 。其中一半的能量存储在电容之中， 另一半的能量扩展在p m o s 之中。对于输出端来说，它从h 到0 这一过程中，不需要 v d d 的充电，但是在n m o s 下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果 c m o s 在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是c v a a 2 f ，但并不是在每个时 钟跳变过程之中，所有的c m o s 电容都会进行一次转换( 除了时钟缓冲器) ，所以最 后要再加上一个概率因子a 。电路活动因子玳表的是，在平均时间内，一个节点之中， 每个时钟周期之内，这个节点所变化的概率。最终得到的功耗表达式为：p 。w = a c v a a 2 f o ( 2 ) 内部短路功耗 p n = i i m v d d 式( 3 2 ) c m o s 电路中，如果条件v t n v i n v a a iv i pi ( 其中v t i l 是n m o s 的门限电压，v t p 是p m o s 的门限电压) 成立，这时在v d d 到地之间的n m o s 和p m o s 就会同时打开，产 生短路电流。在门的输入端上升或者下降的时间比其输出端的上升或者下降时间快的 时候，短路电流现象会更为明显。为了减少平均短路电流，应尽量保持输入和输出在 同一个沿上。 一般来说，内部短路电流功耗不会超过动态功耗的1 0 。而且，如果在一个节点 上，v d d v m + iv t pj 的时候，短路电流会被消除掉。 ( 3 ) 静态漏电功耗 p i 髓k - i l k v d d 式( 3 - 3 ) 静态漏电指的是二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在m o s 管中， 主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功 耗很小，不是考虑的重点。 表3 1 为c m o s 集成电路中主要的耗电类型。通过设计工艺技术的改善，短路功 耗和静态漏电功耗能被减d , n 可以忽略的程度，因而动态功耗p 。w 也就成为功耗的主 要因素。 本课题所做的功耗优化主要也是着重降低系统或者部件的动态功耗。 表3 - 1c m o s 集成电路中主要的耗电类型 类型公式 比率 动态功耗( s w i t c h i n gp o w e r )p s w = a c n 蠹f 7 0 9 0 内部短路功耗( i n t e m a l s h o r t c i r c u i tp o w e r ) p i n t = i t 心髓 1 0 3 0 静态漏电功耗( s t a t i cl e a k a g e p o w e r )p l 瞄k _ i l e a k v d d 3 3 vc o n v e r t v l nv o u l s i p e xs p x 2 8 1 5 1 5 8 7 3 3 图4 - 55 v - t o - 3 3 v 电压转换 vinv o u l s i p e xs p x i17 - i 5 图4 - 65 v t o 一1 5 v 电压转换 4 2 3 2 时钟电路 整个硬件平台对时钟模块的要求颇为苛刻。时钟模块不仅对m p c 8 2 7 0 提供时钟输 入，s d r a m 也需要时钟模块的时钟输入，而且s d r a m 与m p c 8 2 7 0 必须保证完全的 时钟同步，否则可能不能正确实现数据驱动和采样。所以系统必须提供一个稳定的时 钟源模块。 晶振的取值依赖于处理器的总线频率。时钟模块核心部件为高稳定性的 6 6 6 7 m h z 石英晶