（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式系统技术的光通信设备网元控制模块的研究(1).pdf

哈尔滨1 _ 业大学工学硕l 学位论义 摘要 嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗 的严格要求。可以说，嵌入式系统是为了完成某种特定功能而设计的计算机 硬件和软件的集合体。因为具有如此多的优点，近年来嵌入式系统发展迅 速，嵌入式系统技术已经广泛地应用到各个领域。随着通信业务的不断发 展，作为核心网的光通信网络的应用需求不断增加，传统的计算机技术已经 无法满足功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求，而嵌入式系统技术 恰恰弥补了这方面的不足。因此才使得对嵌入式系统技术在光通信设备中的 应用研究更加迫切，而且具有重要现实意义。 首先，本文分析了国内外嵌入式系统技术的现状和发展趋势，对嵌入式 系统技术的原理、特点和开发方法进行详细讨论。 然后，根据光通信设备的组成和网元控制模块的作用，对它的总体功能 进行规划设计。网元控制模块的硬件电路以嵌入式处理器芯片m p c 8 6 0 t 作 为核心，本文详细给出时钟电路、复位电路、存储器电路、调试接口电路和 通信接口电路的设计。网元控制模块的软件以嵌入式操作系统p s o s 作为核 心，本文讨论了板级支持包的原理和功能，设计了网元控制模块的板级支持 包，使用c 语言和汇编语言编写了板级支持包的程序，完成板级支持包的 调试工作。 最后，对论文研究成果进行总结，指出今后进一步需要研究的工作，并 且对嵌入式系统技术的发展前景进行展望。 关键词嵌入式系统：网元控制模块；m p c 8 6 0 t ：板级支持包 呤尔滨_ t 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i sa c o m p u t e rs y s t e m f o r s p e c i a lp u r p o s e ，w h i c h f o c u s e so na p p l i c a t i o n ，b a s e so nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r e a r er e d u c a b l ea n di ss u i t a b l ef o rd e m a n d so f f u n c t ! o n ，r e l i a n c e ，c o s t ，v o l u m e a n dp o w e r i naw o r d e m b e d d e ds y s t e mi sac o l l e c t i o no fc o m p u t e rs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，w h i c h d e s i g n s f o r s p e c i a l f u n c t i o n b e c a u s eo fs om u c h a d v a n t a g e ，e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yd e v e l o p p e dr a p i d l yi n af e wy e a r s a n dh a s s p r e a d e d i n m a n yf i e l d s w i t h t h ec o m m u n i c a t i o n s a p p l i c a t i o n d e v e l o p i n g ，o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s d e m a n da d d e da s k e r n e ln e t w o r k s t h eo l dc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sn o tm e td e m a n d sf o rf u n c t i o n ，r e l i a n c e ，c o s t v o l u m ea n dp o w e r b u te m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yc o m p e n s a t e st h i sj u s t f o r t h i s ，i t m a k e sr e s e a r c ho fe m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y i n o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k st h e o r ya n di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ss t a t u sa n d d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n ，a n d d i s c u s s e si nd e t a i l se m b e d d e d s y s t e m t e c h n o l o g y st h e o r y ，c h a r a c t e ra n dd e v e l o p p i n gm e t h o d f o l l o w n g ，d e p e n d i n go ns t r u c t u r e o fo p t i c a l t r a n s p o r te q u i p m e n ta n d t h ef u n c t i o no fn e t - c o n t r o l l i n g p r o c e s s o r ( n c p ) ，t h i s p a p e rt o t a l l yd e s i g n s n c pf u n c t i o n s t h eh a r d w a r ec i r c u i to fn c pb a s e so nm p c 8 6 0 t ，a n dt h i s p a p e r i nd e t a i l s d e s i g n sc l o c kc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i t ，d e b u g c i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t t h es o f t w a r eo fn c pb a s e so n p s o s ，a n dt h i sp a p e rd i s c u s s e st h et h e o r ya n df u n c t i o no fn c p ，d e s i g n s b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ( b s p ) o f n c p ，p r o g r a m sf o rb o a r ds u p p o r tp a c k a g ei n cl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ea n df i n i s h e st h ed e b u g g i n gw o r ko fb s p l a s t l y ，t h i sp a p e rm a k e s ac o n c l u s i o n ，f i g u r e so u tr e s e a r c h i n gw o r kf r o m n o wo n ，a n dh a sa1 0 0 ka te m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s e m b e d d e d s y s t e m ，n e t 。c o n t r o l l i n g 。p r o c e s s o r ，m p c 8 6 0 t ，b o a r d s u p p o gp a c k a g e i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 伴随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个充满希望的新时代。而作为 二十世纪人类社会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一个充满机遇的 阶段一后p c 时代。不知不觉中，形式多样的数字化产品已经丌始继p c 机 之后成为信息处理的一大主要工具，并且正在逐步形成一个充满商机的巨大 产业。 后p c 时代的到来，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念一嵌 入式系统。像手机、p d a ( 如商务通等) 均属于手持的嵌入式系统，v c d 机、机项盒等也属于嵌入式系统，而像车载g p s 系统、数控机床、网络冰 箱等同样都采用嵌入式系统技术。 根据1 9 9 0 年i e e e 6 1 0 1 2 的定义，嵌入式系统是一种由外部进程触 发，目的是为了进行控制、监控或对外界进程及时做出反应的操作模式。这 个定义主要表达了嵌入式系统软件的主要特征，对整个系统来讲，嵌入式系 统就是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系 统的应用软件与系统的硬件一体化。具有软件代码小，高度自动化，响应速 度快等特点。适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用 计算机系统【2 j 。 随着通信业务的不断发展，作为核心网的光通信网络的应用需求不断增 加，传统的实现技术已经无法满足功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格 要求，而嵌入式系统技术恰恰弥补了这方面的不足。本课题有针对性地对嵌 入式系统技术在光通信设备中的应用进行研究，这必将对今后光通信设备的 研究开发有实际意义。 1 2 嵌入式系统技术的概念及发展状况 1 2 1 嵌入式系统的定义、特点和开发流程 嵌入式系统定义为以应用为中心、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 哈尔滨t 业太学t 学硕 ：学位论文 机系统。嵌入式系统是为完成某种特定功能而设计的计算机硬件和软件的集 合体，包含特定的外围设备甚至一些机械部件。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以 及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管 理等功能。 嵌入式系统特点包括专用性、高度集成、软硬件结合密切、高效先进， 开发方式特殊。 嵌入式系统的开发流程包括确定产品的功能性需求、选择嵌入式处理 器、确定编程语言、选择开发环境、选择嵌入式操作系统、选择软件测试工 具、设计与调试拉i 。 1 2 2 嵌入式系统技术的发展现状 目前嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通讯、手持信息设备以及 工业控制等领域，国外许多大处理器生产厂商( m o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 、 同立、n s c 等) 纷纷推出各种嵌入式微处理器，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 r m 系列和n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 的x 8 6 系列 3 - 4 1 。其中最具影响力的当数m o t o r o l a 的 p o w e r p c 系列，由于p o w e r p c 系列微处理器种类繁多，而且性能优越，系 统集成度高，扩展能力强，可以广泛应用于各类嵌入式系统中，因此， m o t o r o l a 己成为当今全球最大的嵌入式微处理器生产商，p o w e r p c 系列微 处理器成为当今嵌入式系统应用的主流，本课题选用的嵌入式处理器为 p o w e r p c 系列的m p c 8 6 0 t ，可以较好的满足性能需要。 目前的嵌入式系统是由以前的单片机发展起来的，能工作于复杂的系 统，那么在系统设计上就要求更复杂，尤其是对多处理器、多任务的支持要 求比较高，如果建立在基本汇编的基础上，那开发难度和开发周期都是不可 忍受的。因此，如果加入实时操作系统这个框架，再在此基础上构架独特的 硬件和软件，用c 语言就可以实现基本所有功能，这样就会省去很多麻烦 的工作，并且能大大提高丌发周期，尽快看到市场效益。 市场上通用的嵌入式操作系统有很多：美国风河公司( w i n d r i v e r ) 的 v x w o r k s 和p s o s ，微软的w i n d o w s c e ，a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g yl n c 公 司的n u c l e u sp l u s ，中国的h o p e 等操作系统【4 5j 。这些操作系统都有各自 的特色，应用于不同的实际环境中。 哈尔滨工业大学工学硕+ 学位论文 1 2 3 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统应用软件的丌发需要强大的开发工具和操作系统的支持，由 于嵌入式系统的专用性，开发时需要相应的交叉编译工具和调试仿真工具 的支持。嵌入式微处理器已从8 位发展到了3 2 位，系统功能不再单一，结 构也更为复杂。为简化应用程序的设计，保障软件质量和缩短开发周期，使 用嵌入式操作系统成为必然的选择”l 。 联网成为必然选择。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向 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 协议簇软件支持。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于中兴公司s t m 一4 级别的s d h 光通讯设备z x s m 一6 0 0 ( v 2 1 的网元控制模块( n c p ) 的研发工作。陵控制模块能够监视和管理z x s m 6 0 0 ( v 2 ) 设备的运行，根据子网管理控制中心下发的命令来配置网元并向子 网管理控制中心上报本网元的状况，可以满足网管系统对底层硬件指令处理 能力、通讯能力、可靠性等诸方面的要求。 本课题的工作主要有2 个方面。完成中兴公司z x s m 6 0 0 ( v 2 ) 设备的网 元控制板( n c p 板) 硬件电路的设计与调试；使用嵌入式实时操作系统 p s o s 完成n c p 板的板级支持包b s p 的设计与调试。 1 4 本文结构 本文的第一章里主要介绍课题的来源及背景，并对嵌入式系统技术的概 念和发展现状作简要介绍。 第二章主要给出网元控制模块的总体功能性设计。 第三章详细介绍网元控制模块的硬件电路设计原理，具体给出各个部分 的设计方法。 第四章介绍了板级支持包b s p 的设计与调试方法。 最后将对整个的论文和毕业设计过程中的工作做一个简单的结论。 ! 。一一，：， 坠尘堡：坠耋三茎堡i ：兰堡篁兰，一，。一，。 第2 章网元控制模块的功能性设计 2 1 z x s m 6 0 0 ( v 2 ) 紧凑型光通信设备概述 z x s m 6 0 0 ( v 2 ) 是中兴公司的s t m 一4 级别的紧凑型光通信设备，它可 以涵盖s t m l 、s t m 4 级别的s d h 功能，最多可提供4 个l5 5 m 和2 个 6 2 2 m 光接口t 6 - l o l 。 z x s m 一6 0 0 ( v 2 ) 设备主要包含如表2 一l 所示的单板： 表2 i ：z x s m 6 0 0 ( v 2 ) 设备所包含的单板 t a b l e2 - i ：z x s m - 6 0 0 ( v 2 ) s y s t e m sb o a r d s 单板名功能描述 电源板p w a提供整个设备使用的电源 电源板p w b备用电源板 网元控制板监视、管理整个设备 系统时钟板提供s d h 网的同步时钟 s t m 1 光接口板1 5 5 m 光板，将光信号转换为电信号，提取 定时信息，提取某些开销 s t m 4 光接口板 6 2 2 m 光板，将光信号转换为电信号，提取 定时信息，提取某些开销 交义板 业务交叉 2 m 支路板业务处理 3 4 m 4 5 m 支路板业务处理 勤务板o w提供语音通道等非业务功能 n c p 板( 网元控制板) 提供网元控制功能，是所在网元的核一t b 控制部 件。它负责监督管理本网元的运行，根据子网管理控制中心( s m c c ) 下发 的命令来配胃网元并向子网管理控制中心上报本网元的状态【1 0 】。图2 1 表 示了n c p 板在系统中的位置。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 u q x 口 i n c p i 下i 陶自自阿曲蔺自 图2 1n c p 板在系统中的位置 f i g 2 lt h et o c a t i o no fn c p i ns y s t e m 2 2 网元控制模块的功能性设计 如图2 2 所示，s d h 设备的网络管理系统通常分为三级，分别为子网 管理控制中心( s m c c ) 、网元控制板( n c p ) 和单板管理控制单元( m c u ) 。 s m c c 出软件网管系统来实现；n c p 板完成网元管理；m c u 是各个单板上 的管理系统，实现对单板的管理，同时肩负着向n c p 板发送单板的工作状 态，以及接收来自网管的各种配置命令的任务。在图2 2 中n c p 通过s d h 的开销d 1 d 3 将所有的网元组成一个网络“0 1 。 n c p 板( 网元控制板) 提供网元控制功能，是所在网元的核心控制部 件，它的主要功能是网元管理和e c c 协议处理。 网元管理功能是指n c p 板可以完成网元的初始配置，通过对外提供的 以太网接口，接收网管的命令( 该网元必须是一个接入网元) ，然后通过s 口对各个单板发布指令，单板会依据命令执行相应的操作，同时单板也可以 通过s 口向n c p 板上报单板的信息，n c p 板再将单板的信息转发给网管。 e c c ( e m b e d d e dc o n t r o lc h a n n e l ，嵌入式控制通道) 协议处理是指各个光 口将取出的e c c ( s d h 开销字节d 1 d 3 ) 信息，通过串行总线，采用 h d l c 协议与n c p 板进行通信，如果是本点信息。会根据e c c 通道中的信 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 息对本点进行配置或是其它操作，如果非本点信息，处理器将通过一个路由 算法将数据重新转发出去。 削2 2s d h 没备的网管系统 f i g 2 - 2s d hs y s t e mn e t a d m i n i s t r a t o r 除此之外，n c p 板还需要提供以下这些功能： 1 、对整个设备的告警监控包括对内部告警的监测和对外部告警的监 测：对内部的监控包括监测各个单板的板在位信号以及各个单板上报的告警 信息，外部告警主要源于外部的传感器，如门禁、烟雾、火、高温和风扇 等。 2 、对其它单板的复位信号n c p 板对其它单板的复位方式有两种，一种 是软复位；另一种是硬复位，所谓硬复位，就是通过n c p 板上的c p u 直接 产生复位脉冲去复位系统上其它的单板。 。 3 、天文时钟天文时钟其实就是记录时间的时钟。n c p 板上使用该时钟 的目的是为事件或告警的产生和消失做一个时间上的定位。网管要定时对该 时钟进行校准。 4 、存贮器任何计算机系统离开了存储器都无法运行，n c p 也一样。在 n c p 板上有几类存储器，它们各自肩负着不同的功能。n c p 板上的存储器 有如下几种： ( 1 ) b o o t r o m ：主要功能是初始化n c p 板及引导应用程序。 ( 2 ) 网元配置信息库：主要用于存放网元的配置信息。通讯设备需要 有这样的功能，当电源出现异常故障断电后，再重新上电时应该不需要人为 的干预就可以恢复业务。数据库芯片就是在上电恢复业务时起作用，上电后 系统可以根据数据库芯片内的配置信息通过n c p 板对整个网元进行配置。 ( 3 ) 程序存贮器：用来存储单板的应用程序， ( 4 ) s d r a m 用于运行单板程序和存储临时性数据。 n c p 板实际上是一个小计算机系统，其主要的特点是能够提供与其他 单板及网管进行信息交流的多个串行通讯通道以及较强的指令处理能力。 根据实际应用中网管系统的需求，n c p 板提供如下通讯接口： l 、s 通讯口s 通讯口( 以下简称为s 口) 是n c p 板与时钟板、勤务 板、光板、交叉板及各种电支路板的通讯接口。s 口完成两项功能，一方面 给各单板下达配置命令，另一方面采集由单板发送过来的信息。 2 、e c c 通道e c c 通道是各个网元之帕j 进行通信的通道，更确切地说 应该是接入网元( 简单说就是连接网管的网元) 对于其它非接入网元进行管 理的通道。该通道在z x s m 一6 0 0 ( v 2 ) 设备上是利用开销字节的d 1 d 3 ( d c c ) 字节，采用链路层h d l c 协议来确保数据的可靠性，且工作在同 步方式，其通讯速率为1 9 2 k b p s 。由于z x s m 一6 0 0 , ( v 2 ) 设备上有4 个s t m 一1 的光方向和2 个s t m 一4 的光方向，所以n c p 板需要提供5 条逻辑上独立的 h d l c 通道( 由于在6 2 2 m 的光板上将两个s t m 一4 的e c c 逻辑通道合并成 为一个h d l c 通道，所以在s t m 4 光方向上仅需要一个h d l c 通道) 。 3 、q x 通讯接口q x 通讯接口( 以下简称为q x 口) 是n c p 板与子网管 理控制中- c , ( s m c c ) 的通讯接口。对于接入网元，s m c c 可以使用该端口实 现对接入网元的管理。对于多个网元的系统，可以使用e c c 通道，再经过 接入网元的q x 接口实现对非接入网元的管理。 2 3 本章小结 本章首先简单介绍了光通信设备的组成模块及各个模块的作用，其次详 细分析了网元控制模块的功能，最后设计了网元控制模块的各个组成部分和 常用通信接口。 喻尔滨工业人学工学硕士学位论文 第3 章网元控制模块的硬件设计与实现 3 1 引言 基于n c p 板多通道多协议处理的要求，本论文选用摩托罗拉公司的嵌 入式集成通讯处理器m p c 8 6 0 t 作为n c p 板的中央处理器( c p u ) 。以下 先概要地介绍m p c 8 6 0 t 的组成模块及其性能特征，接着再结合m p c 8 6 0 t 的特性及n c p 板的需求来深入阐述如何使用m p c 8 6 0 t 来实现n c p 板所要 求的硬件功能。 3 2 网元控制模块硬件总体设计方案 3 。2 。1m p c 8 6 0 t 的基本模块 m p c 8 6 0 tp o w e r p c 【q u a d i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r p o w e r q u i c c ) 是摩托罗拉公司推出的一款通用处理器，它集成了片上微处 理器以及多种外围设备控制器及多种协议处理器。杰出的性能使得它特别适 合于通讯及网络方面的应用【“1 4 1 。 图3 1 是m p c 8 6 0 t 的结构图，从图中可以者出，m p c 8 6 0 t 包括3 个 主要模块：p o w e r p c 核心( p o w e r p cc o r e ) 、系统接口单元( s i u ) 和通信 处理模块( c p m ) 。 p o w e r p c 是主处理机单元。它通常称为e m b e d d e dp o w e r p c 核心( 或 e p p c ) 。它包括缓存( c a c h e ) 和存储器管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i tm m u ) 。 第二个主要的模块为系统接口单元。它主要的功能是提供内部总线和外 部总线的接口。 第三个主要模块为通信处理机模块( 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 c p m ) ，c p m 在8 个不同的通信设备如串行通讯控制器( s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ss c c ) 和串行管理控制器( s e r i a lm a n a g e m e n t c o n t r o l l e r ss m c ) 上发送和接收数据。所有的设备可以独立工作，s c c 和 s m c 也可以以时分复用的方式工作。 。 c p m 模块中有一个3 2 位的r i s c 微处理机。m p c 8 6 0 t 有2 个c p u ： 8 哈尔滨t 业大学t 学顺 学位论文 p o w e r p c 和3 2 位的r i s c 。p o w e r p c 执行高层代码，以达到最佳的处理能 力。r i s c 完成较低层的通信功能并处理实际的通讯过程。当然，2 个处理 机在一定程度上相互配合工作 1 4 i s 。主要的方法是通过内部存储空间配 合。在内部存储空间，每个处理机都可以设置控制位和读状态位，以此来相 互沟通。 图3 1m p c 8 6 0 t 结构图 f i g 3 - 1m p c 8 6 0 t s t r u c t u r e 除了这三大模块，m p c 8 6 0 t 还提供了2 个快速以太网控制器 ( f e c ) ，它独立于c p m ，可提供标准的m i i 接口。 3 2 2 网元控制模块硬件总体设计方案 根据n c p 板的功能要求，本论文选择m p c 8 6 0 家族中的m p c 8 6 0 t 作 为n c p 板的c p u 。n c p 板的系统结构如图3 - 2 所示。 4 路 道) 道 图3 - 2n c p 板的系统结构 f i g 3 - 2n c p s t r u c t u r e 由图3 - 2 可以看出，n c p 板的硬件大致可以分为这么几个模块： 1 、m p c 8 6 0 t 的复位电路； 2 、m p c 8 6 0 t 的时钟电路； 3 、存储电路，包括b o o t r o m 、数据库芯片、程序存储区、s d r a m 以及m p c 8 6 0 t 与存储器的接口； 4 、用f e c ( 快速以太网控制器) 实现的q x 通讯v l ： 5 、用s m c 实现的s 通讯口( u a r t 协议) ； 6 、5 个e c c 通道： 7 、通用i 0 口； 8 、m p c 8 6 0 t 的调试接口； 9 、一些其它相关的电路( 未标出) ：如总线驱动器，一片c p l d ( 用 以实现一些简单的逻辑功能) 等。 3 3n c p 板的时钟电路设计 图3 - 3 是m p c 8 6 0 t 的时钟模块构成图，有两个外部时钟参考源： e x t c l k 和e x t a l & x t a l 。m p c 8 6 0 t 内部的系统锁相环s p l l 可选择与 其中任何一个时钟源相连接，经过倍频和稳相之后产生一系列的系统时钟供 m p c 8 6 0 t 系统工作之用 1 4 1 。 e x t c l k 引脚可直接与外部时钟源相连作为m p c 8 6 0 t 的外部时钟源。 c l k o u t ：押c 8 6 0r 作时钟 图3 - 3m p c 8 6 0 的时钟模块 f i g 3 3m p c 8 6 0 c l o c km o d u l e m p c 8 6 0 t 也支持外接晶体振荡电路，如图3 4 所示，接在e x t a l 和 x t a l 之间的晶体和m p c 8 6 0 t 内部的振荡器模块( o s c i l l a t o rm o d u l e o s c m ) 构成了m p c 8 6 0 t 的另一个外部参考时钟源。 o 哟i 图3 4 外接晶体振荡电路 f i g 3 - 4o s c m c i r c u i t 彗了萼三 罂：一 s p l l 选择与哪个时钟源相连由上电复位时m o d c k 1 ：2 】的配置值决 定。具体对应关系如表3 - 1 所示( 包括时钟参考源和缺省倍频系数) 【“】。 表3 1 ：m p c 8 6 0 上电复位时的配置 t a b l e3 1 ：m p c 8 6 0r e s e tc o n f i g u r a t i o n m o d c k 【1 ：2 p o r e s e t 上电复位时m f + 1 的s p l l 选择 缺省值 0 005 l3 时钟源为3 2 k h zo s c m 0 10s时钟源为4 m h zo s c m 1 0ol时钟源为e x t c l k 1 1o5 时钟源为e x t c l k 在n c p 板上，这两个外部时钟源都用到了。e x t c l k 外接一个5 m 的 晶体振荡器作为s p l l 的参考时钟源( 即m p c 8 6 0 t 系统的工作时钟源) ， 在e x t a l 和x t a l 之问接一个3 2 7 6 8 k 的晶体作为实时时钟( 即所谓的天 文时钟) 的参考时钟源。时钟源配置字m o d c k 【1 ：2 _ 1 1 。 在p o w e r o nr e s e t 之后，m p c 8 6 0 t 采样m o d c k 1 ：2 】管脚上的值，将 其作为默认值配置时钟( 默认的倍频因子m f = 5 ，即p o w e r o nr e s e t 之后 m p c 8 6 0 t 默认的工作频率是2 5 m h z ) 。之后，通过配置p l p r c r ( m f ( 01 1 ) 1 = 0 x 0 0 9 ) 使得倍频因子m f = 1 0 ，即m p c 8 6 0 t 的f 常工作频率是 5 0 m h z 。 s p l l 的外部滤波电容x f c = 6 8 0 0 p f ，这是厂家提供的一个参考值，并 非按手册的说明计算出来的。根据手册，图3 - 3 中的电感值为8 2 m h 。 在图3 - 4 中，当外接晶体的振荡频率为3 2 7 6 8 k 的时候，相应的电阻电 容值为：r l = 2 0 m o ，r 2 = 3 3 0 k q ，c 1 = 2 0 p f ，c 2 = 2 0 p f 。为了保证在n c p 板 掉电时仍能准确计时，本设计采用带有电源监控能力的复位芯片m a x 7 0 4 t 和后备电池，在c p u 主电源丢失时用后备电池通过k a p w r 脚给r e a l t i m ec l o c k 供电。如图3 5 所示。在上电重启时，与r t c 相关的寄存器 的值不会改变。 喻尔滨t 业人学工学硕l 学位论义 图3 5 掉电保护电路 f i g 3 - 5p r o t e c t i o nc i r c u i t 让实时时钟以秒来计数还要设置以下这些寄存器： r t c s c 1 1 _ o ( 外 接3 2 7 6 8 k 的晶体) ，r t s e c = 0 x 2 0 0 0 ，s c c r r t d i v = 0 ，s c c r 【r t s e l 】 = 0 。各参数满足下式： 1 ， 3 2 7 6 8 1 0x3 r4 8 1 9 2 ) = ls 实际应用时，可读出当前实时时钟的值( r t c 寄存器的值) ，与一个 事先约定好的时间基准( 比如说约定r t c 的值为0 时代表2 0 0 2 年1 月1 日 零时正) 相比较，便可得出当前的时间了。 4n c p 板的复位电路设计 3 4 1m p c 8 6 0 t 的复位原理 1 、m p c 8 6 0 t 的复位类型m p c 8 6 0 t 共有4 个复位源：上电复位 ( p o r e s e t ) ，硬件复位( h r e s e t ) ，软件复位( s r e s e t ) 和j t a g 复位( t r s t ) 。不同的复位源对m p c 8 6 0 t 各模块的影响不同。 2 、m p c 8 6 0 t 的上电复位和硬复位及软复位的工作流程 ( 1 ) 上电复位及硬复位工作流程 图3 - 6 所示为m p c 8 6 0 t 的上电复位流程。当开电( p o w e r o n ) 时， m p c 8 6 0 t 进入上电复位状态。在这个状态，m p c 8 6 0 t 采样m o d c k 管脚 值，并相应地初始化系统时钟。 c p u 保持在上电复位状态直到上电复位翻转，p l l 锁定。然后芯片进 ：，：一，。，：，坠尘鎏三些查兰三茎堡耋! 竺丝兰，。一： ：。 入内部初始化的硬复位状态，此时，m p c 8 6 0 t 驱动它的h r e s e t 和 s r e s e t 信号为低( 有效) 。注意，当一个内部或外部硬复位有效时， m p c 8 6 0 t 同样可以进入这个状态。硬复位和软复位的时间要持续5 1 2 周 期，这样，会给其它设备足够的时间来复位，5 1 2 周期后，m p c 8 6 0 t 从数 据线上采样它的初始配置信息，接着，m p c 8 6 0 t 停止内部驱动硬软复位信 号( h r e s e t 和s r e s e t 需外接上拉电阻以确保在没有设备驱动的情况下 这两个信号能被确认为无效) ，并等待1 6 个时钟，在这段时间，如果有硬 和软复位信号产生，c p u 不会响应直到1 6 个时钟完成后，可以响应硬和软 复位设置。如果此时没有复位信号，则c p u 进入正常工作模式( 通常是跳 转到系统r e s e ti n t e r r u p te x c e p t i o nv e c t o r 处，开始执行代码) 。 釉 n 甜r i 嘲0 婶_ 矗鲫 舞硎啪mr b 埘i r 甜m 薛b b 蛳诒嘛 图3 - 6m p c 8 6 0 t 的上电复位和硬复位的i 作流科 f i g 3 - 6m p c 8 6 0p o w e r - o nr e s e ta n dh a r dr e s e tw o r k i n g - p r o c e s s ( 2 ) 软复位流程 图3 7 是m p c 8 6 0 t 的软复位的工作流程。当c p u 进入软复位状态并 持续5 1 2 个时钟后要采样d s c k 引脚值，当软复位无效并等待1 6 个时钟 后，如果d s c k 值为高则进入调试模式。 ( 3 ) m p c 8 6 0 t 硬件复位配置字 m p c 8 6 0 t 硬复位发生时，由硬件配置字( h a r dr e s e tc o n f i g u r a t i o n w o r d ) 决定其初始工作模式，如可确定b o o t r o m 的数据位数、内存的基 哈尔滨t 业人学t 学硕卜学位论文 地址、调试引脚配置等。硬件配置字可经数据线d 0 一d 3 1 采样得到，也可 取内部的缺省值：o x 0 0 0 0 0 0 0 0 。在本论文中采用前一种方法获取配置字， 这时要使r s t c o n f 接地。 黼糍测一榭：德僦。 图3 7m p c 8 6 0 的软复位的工作流程 f i g 3 - 7m p c 8 6 0 s o f tr e s e tw o r k i n g p r o c e s s 3 4 2n c p 板复位电路的实现 a 嘣o s c k 1 、复位及掉电保护电路复位及掉电保护电路如图3 - 8 所示。上电和人 工按键产生复位信号，其中r e s e t 端接m p c 8 6 0 t 的p o r e s e t ，由 r e s e t 产生复位信号复位处理器。r e s e t 产生的低脉冲宽度为2 0 0 m s 。 当m a x 7 0 4 t 检测到v i n 脚输入的电平低于阀值时( 3 0 8 v ) ，v c c 和 v b a t 中电平较高的一个将被连接到v o u t ，而v o u t 连接到k a p w r ， 以实现掉电保护。 幽3 - 8 复位及掉电保护电路 f i g 3 - 8r e s e ta n dp o w e r d o w np r o t e c t i o nc i r c u i t 2 、硬件复位控制字图3 - 9 为硬件复位控制字的实现。使用一片 7 4 l v t l 6 2 4 5 实现m p c 8 6 0 t 的硬件配嚣字。n h 4r s t 有效时d 5 、d 9 、 d l o 这三条数据线被上拉，其余的数据线为0 ( 内部下拉) 。可见，硬件配 置字为：0 x 0 4 6 0 0 0 0 0 ，它的主要含义如下：内部仲裁，b o o t r o m 的口宽为8 位，内部寄存器的基地值为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，复用管脚配置：d b g c = 1 1 ， d b p c = 0 0 。 f1 9 8 6 0 4 l v t m 6 丑5 v d 5 8 1 d 5 8 2 d i 口 1 3 9 b 3 刑 m o i t $ b 6 ： b 7 b 8 ， i l m m 1 r 一： 岫 b 3 4 。 5 b 6 b ， 可 古l 。 ： 2 5 ： 图3 - 9 硬件复位控制字的实现 f i g 3 9h a r d w a r er e s e tc o n f i g u r a t i o nw o r d 3 5n c p 板存储器电路的设计 3 5 1n c p 板的存储器及外围器件控制策略 1 、m p c 8 6 0 tm e m o r yc o n t r o l l e r 的主要特点 m p c 8 6 0 t 具有3 2 位的 地址总线和3 2 位的数据总线，m e m o r yc o n t r o l l e - 提供了m p c 8 6 0 t 与外部 存储设备和外围器件的接口。m e m o r yc o n t r o l l e r 的主要特点如下： ( 1 ) m p c 8 6 0 t 共有8 根外部片选线( c s ) ，总共可控制8 个 m e m o r y b a n k 。 ( 2 ) 提供两种对外设的控制机制：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 通用片选状态机) 和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 s 用 户可编程状态机) 。其中g p c m 因为不支持b u r s t 读写，一般为简单、 低性能的存储器提供接口，如e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 、s i n g l es r a m 等；u p m a 和u p m b 因为支持b u r s t 读写，可为高性能的存储器提供接 口，如d r a m 、s d r a m 、b u r s t i n gs r a m 等。通过设定b r x m s 位来设 定存储控制器的控制机制。 2 、n c p 板的存储器及外围器件控制策略n c p 板的片选与外围器件的 对应关系及地址空间分配如表3 2 所示。 ， 表3 - 2 ：n c p 板的片选分配 t a b l e3 - 2 ：n c p c h i p s e l e c tc o n f i g u r a t i o n 存贮器外没寻址空间片选数据总线首地址控制器 ( 字肖) b o o t r o m 芯片 5 1 2 kc s 0d 0 一d 7 o x f f f 0 ，0 0 0 0g p c m 数据库芯片 5 】2 kc s 3d 0 - d 7 0 x 0 3 0 0 ，0 0 0 0g p c m 程序存储区芯片 4 mc s ld o d 3 l 0 x 0 4 0 0 ，0 0 0 0g p c m s d r a m3 2 mc s 2d 0 - d 3 l o x 0 0 0 0 ，0 0 0 0u p m a 板在位信号 4c s 5d i ) d 3 l 0 x 0 5 0 0 ，0 0 0 0g p c m s 口通讯请求 2c s 6d o d 15 o x 0 6 0 0 ，0 0 0 0g p c m 内部寄存器空间 0 x 0 8 0 0 ，0 0 0 0 3 5 2b o o t r o m 与数据库芯片 b o o t r o m 的主要作用是引导及初始化c p u ，以及引导单板程序。b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 就是烧结在b o o t r o m 早的。由于m p c 8 6 0 t 在复 位之后( 运行程序之前) 自动使得c s 0 有效，故b o o t r o m 的片选信号为 c s o 。图3 - 1 0 为b o o t r o m 硬件实现的原理图，b o o t r o m 选用5 1 2 k b y t e 的 f l a s h 芯片( s s t 3 9 v f 0 4 0 ，可插拔封装) ，数据线宽度为8 。编程引脚