基于VPX總線的系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 麗，付月生，陳思思

（中船重工集團(tuán)第七二二研究所 湖北 武漢 430079）

基于VPX總線的系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 麗，付月生，陳思思

（中船重工集團(tuán)第七二二研究所 湖北 武漢 430079）

VPX總線硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要側(cè)重于基于VPX總線的主控系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與研究，本文首先介紹VPX總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展，然后介紹基于VPX總線系統(tǒng)主控模塊設(shè)計(jì)原理與具體實(shí)現(xiàn)，主要包括主控模塊的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，最后是系統(tǒng)驗(yàn)證工作，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和總結(jié)。

VPX總線；PCIe；硬件平臺(tái)；VxWorks

隨著通信技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)有總線已經(jīng)不能滿足國防領(lǐng)域越來越高的性能要求和更為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，需要一種新體制的總線，替代現(xiàn)有總線，以提高系統(tǒng)傳輸帶寬。而新型VPX(VITA 46)標(biāo)準(zhǔn)是自從VME引入后的25年來，對(duì)于VME總線架構(gòu)的最重大也是最重要的改進(jìn)。它將增加背板帶寬，集成更多的I/O，擴(kuò)展了格式布局。VPX總線是VME技術(shù)的自然進(jìn)化，它采用高速串行總線替代并行總線是其的最主要變化。如今在接口技術(shù)上有多種高性能交換結(jié)構(gòu)技術(shù)可供選擇，而其中的3個(gè)：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)、PCI Express (PCIe)尤其突出，優(yōu)點(diǎn)最多。新的總線技術(shù)，新的系統(tǒng)構(gòu)造機(jī)制，為通信系統(tǒng)獲得更高的性能和帶寬[1]。文中首先介紹VPX總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展，然后介紹基于VPX總線系統(tǒng)主控模塊設(shè)計(jì)原理與具體實(shí)現(xiàn)，主要包括主控模塊的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1 高速串行VPX總線接口分析

現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)總線PCI是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線，定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。雖然PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。然而，隨著未來I/O設(shè)備對(duì)帶寬要求的不斷提高，PCI由于其自身的低擴(kuò)展性和局限性越來越成為發(fā)展的瓶頸，不僅如此，總線上連接的設(shè)備越多，對(duì)總線的干擾也就越大，必然造成信號(hào)的不穩(wěn)定，影響總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。VPX總線與現(xiàn)有成熟的總線最顯著的變化是它采用高速串行總線替代并行總線，VPX背板總線有針對(duì)性的采用差分對(duì)設(shè)計(jì)，適用于各種高速總線接口，VPX總線標(biāo)準(zhǔn)具體推薦3種高速總線接口：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)、PCI Express (PCIe)[2]。

1.1 Gigabit Ethernet (GbE)

以太網(wǎng)是目前最普遍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)通信的起始和重點(diǎn)都有以太網(wǎng)連接。這種商業(yè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用正在影響軍用市場。隨著國防部對(duì)利用現(xiàn)有資源無縫連接到全球網(wǎng)絡(luò)的迫切需求，1-GbE網(wǎng)絡(luò)交換已經(jīng)成為鏈接機(jī)箱和鏈接板子，組建今天高帶寬IP平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的首選。將來的技術(shù)轉(zhuǎn)向1/10Gbe網(wǎng)絡(luò)是很自然的事情，它是一種高速網(wǎng)絡(luò)的解決方案，足可以滿足日益增長的苛刻應(yīng)用需求。為了滿足有效地在平臺(tái)資源間傳輸音頻，視頻，控制及管理數(shù)據(jù)的需求，支持IPv4/v6的1/10 Gbe提供了統(tǒng)一的方法來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 Serial RapidIO (SRIO)

SRIO, 高速串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，它比PCI Express和以太網(wǎng)更適合組建大量的處理器間通信的大型多處理器系統(tǒng)。SRIO在建立多處理器系統(tǒng)時(shí)，與同類產(chǎn)品相比較有很多不同。SRIO為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)，支持尋址模型，支持消息傳輸?shù)确绞酱_保高效、快速的數(shù)據(jù)傳輸。串行RapidIO系統(tǒng)可以構(gòu)造任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這對(duì)構(gòu)建變化多端的數(shù)據(jù)流DSP系統(tǒng)是非常重要的。

1.3 PCI Express (PCIe)

PCIe接口普遍應(yīng)用于商用桌面電腦，筆記本及服務(wù)器中。在大量PC應(yīng)用中，PCIe的普及有助于降低PCIe交換芯片和PCIe外圍設(shè)備的成本。尤其最近，PCIe開始移植到先進(jìn)的單板計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器模塊中，部署于軍用及航空應(yīng)用設(shè)計(jì)中。

新串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)使得軍用和航空嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到更高的性能，同時(shí)減少系統(tǒng)成本和重量。如今有多種高性能交換結(jié)構(gòu)技術(shù)可供選擇，因?yàn)椴豢赡苡幸环N網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可以滿足國防和航空嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分層（hierarchy）解決方案——使用GbE作為平臺(tái)間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且使用SRIO和PCIe作為底板總線交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。使用這種方式，國防和航空系統(tǒng)集成商可以在他們系統(tǒng)中應(yīng)用交換結(jié)構(gòu)技術(shù)。GbE，SRIO以及PCIe各有優(yōu)勢(shì)，如果將這些交換結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起應(yīng)用于嵌入式軍用系統(tǒng)中，將形成功一種新的強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過應(yīng)用，主要的芯片，模塊大量真實(shí)評(píng)估，以及主板整體設(shè)計(jì)，VPX總線平臺(tái)可以為客戶提供多種網(wǎng)絡(luò)交換的計(jì)算平臺(tái)，允許用戶選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來滿足系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)。

2 VPX總線硬件平臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 VPX總線硬件平臺(tái)系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在配置靈活性方面PCIe總線可以根據(jù)所連接的硬件設(shè)備的不同，使用不同頻率同其聯(lián)系通訊。在連接方式上PCIe總線可以“走出機(jī)箱”，也就是說PCIe可以如同現(xiàn)在的USB或者Firewire一樣通過計(jì)算機(jī)上的一定接口同外部采用相應(yīng)符合PCIe標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備進(jìn)行連接和通訊。PCIe總線采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，這樣每個(gè)PCIe設(shè)備都是直接同系統(tǒng)芯片進(jìn)行交流，而不再存在帶寬問題。PCIe最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的跨平臺(tái)兼容性，現(xiàn)在的符合PCI 2.3規(guī)范的板卡將可以在低帶寬的PCIe插槽上使用。綜上所述，采取以PCIe總線作為VPX硬件平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部主要總線，以千兆以太網(wǎng)為輔的設(shè)計(jì)思路是比較合適的，具體的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示進(jìn)行系統(tǒng)背板設(shè)計(jì)。

VPX總線采用的是由Tyco公司開發(fā)出模塊化的VPX RT2連接器，該連接器內(nèi)含可控阻抗，低插入損耗，在最高6.25 Gbaud下，串?dāng)_小于3%。Tyco公司生產(chǎn)的獨(dú)特的新7排RT2連接器，與級(jí)聯(lián)塊兒和鍵一起，實(shí)現(xiàn)VITA 46模塊和背板設(shè)計(jì)[3]。

圖1 系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig1 The system bus topology diagram

2.2 系統(tǒng)主控模塊主處理器選擇

系統(tǒng)主控模塊功能框如圖2所示。本系統(tǒng)主控模塊主處理器選擇飛思卡爾公司的PowerPC8641D雙核微處理器，該處理器由2個(gè)E600高性能處理器組成，采用雙核設(shè)計(jì)，與單核處理器相比，使得同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行2套操作系統(tǒng)成為可能，并具有低耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該處理器采用各種新技術(shù)，例如DDR2系統(tǒng)內(nèi)存、高速1級(jí)數(shù)據(jù)和指令緩存、高速2級(jí)緩存、64位浮點(diǎn)運(yùn)算單元、1000M/100M/10M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、RapidIO高速串行接口、PCIe高速串行接口等，滿足了高端嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用場合的各種需求[4]。

圖2 系統(tǒng)主控模塊功能框圖Fig2 The system main control module function block diagram

2.3 PCIe接口擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

PCIe和PCI不同的是實(shí)現(xiàn)了傳輸方式從并行到串行的轉(zhuǎn)變，不用再向整個(gè)系統(tǒng)請(qǐng)求帶寬，這樣也就輕松的到達(dá)了其他接口設(shè)備可望而不可及的高帶寬。但同時(shí)要求PCIe主控設(shè)備具備多路PCIe接口，接口的數(shù)量需要和從接口的數(shù)量一致，而處理器一般只提供1-2路PCIe接口，因此在大多數(shù)應(yīng)用場合必須通過PCIe橋接芯片進(jìn)行擴(kuò)展[5]。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到MPC8641D雙核處理器僅具備2路×8模式的PCIe高速串行接口，必須進(jìn)行PCI_E橋接芯片的擴(kuò)展，為了最大限度的提供更高的數(shù)據(jù)帶寬以及更加豐富、靈活的總線資源，選用PEX8648進(jìn)行PCIe高速串行接口的擴(kuò)展。PCIe接口的擴(kuò)展形式如圖2所示。

2.4 存儲(chǔ)器

CPU板上有3種存儲(chǔ)器，分別為SDRAM、Nor Flash、Nand Flash和EEPROM。

SDRAM存儲(chǔ)器采用DDR2規(guī)格設(shè)計(jì)，分別與MPC86xx片上2套DDR2內(nèi)存接口對(duì)接，每套DDR2內(nèi)存大小為512MByte，數(shù)據(jù)寬度為72位，其中8位為糾錯(cuò)位。SRAM主要用作存儲(chǔ)執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)。

Nor Flash存儲(chǔ)器大小為32MByte，數(shù)據(jù)寬度為16位。Nor Flash存儲(chǔ)器主要用作存儲(chǔ)操作系統(tǒng)。

Nand Flash存儲(chǔ)器大小為8G字節(jié)，數(shù)據(jù)寬度為8位，采用UPM控制邏輯進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，Nand Flash存儲(chǔ)器主要用作文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。

EEPROM存儲(chǔ)器的大小為64KByte，可用來保存一些非易失性數(shù)據(jù)，通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。EEPROM的I2C總線地址為1010000b。

2.5 VPX總線接口

采用PLX公司PCIe橋芯片PEX8648擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提供4路PCIe串行總線接口，每路PCIe總線可支持×1、×2、×4、×8模式，PCIe接口定義符合VPX總線規(guī)范。

2.6 LCD顯示接口

采用EPSON公司S1D13748進(jìn)行LCD顯示控制接口設(shè)計(jì)，提供1M字節(jié)內(nèi)嵌顯存，支持RGB5:6:5顯示格式。

2.7 看門狗復(fù)位電路

采用MAX706硬件看門狗和處理器軟件看門狗相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保主控系統(tǒng)模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 主控模塊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks是美國Wind River System公司的產(chǎn)品，由于其性能穩(wěn)定、可靠，接口豐富，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在通信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)、軍事領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用。VxWorks6.8版本操作系統(tǒng)對(duì)PowerPC新出的多個(gè)系列處理器提供強(qiáng)有力的支持，除QorIQ系列最新的幾款處理器以外，均提供完整的底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)軟件模板，并支持多核進(jìn)行操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)VPX總線硬件平臺(tái)主控系統(tǒng)模塊，主要完成以下操作系統(tǒng)相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)：

1）兩套DDR2共1G內(nèi)存的SDRAM配置驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)運(yùn)行可選擇單核工作模式和雙核對(duì)稱工作模式；

2）基于IIC總線的EEPROM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)主控模塊IP、MAC地址信息、工作模式配置、以及其他掉電存儲(chǔ)信息的保存；

3）基于NOR Flash的在線擦除、編程操作，可實(shí)現(xiàn)主控模塊操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的在線更新，為系統(tǒng)軟件的維護(hù)、升級(jí)提供便利；

4）基于NandFlash的電子盤驅(qū)動(dòng)，采用UPM模式進(jìn)行無縫連接設(shè)計(jì)，電子盤容量最高可達(dá)8G字節(jié)，超大的容量可滿足目前絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，用于存儲(chǔ)各種應(yīng)用數(shù)據(jù)信息；

5）網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)，完備的網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)提供TCP/IP、UDP等IPV4標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，并據(jù)要求可支持IPV6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；

6）PCIe接口驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PCIe接口驅(qū)動(dòng)，與PEX8648實(shí)現(xiàn)PCIe接口的訪問控制，擴(kuò)展的PCIe接口則需要根據(jù)用戶進(jìn)行編寫；

7）顯示接口驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD控制芯片的訪問控制，具體的驅(qū)動(dòng)還需要根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

VPX總線規(guī)范已經(jīng)提出，但仍然存在很多不確定因素，比如總線類型、總線結(jié)構(gòu)等，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也更加靈活，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速串口通信模式雖然提高了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，信號(hào)線更少，接口更加簡化，但沒有具體確定信號(hào)的定義，導(dǎo)致不同的VPX總線系統(tǒng)設(shè)備信號(hào)定義可能完全的不同，因此標(biāo)準(zhǔn)化程度卻比CPCI總線等并行總線較弱。采用PowerPC8641D雙核處理器作為核心處理器、以PEX8648的PCIe橋芯片進(jìn)行總線擴(kuò)展的VPX總線硬件平臺(tái)主控模塊設(shè)計(jì)是成功的，硬件設(shè)計(jì)均達(dá)到了預(yù)期全部功能。VxWorks6.8版本操作系統(tǒng)的成功移植極大的加快了系統(tǒng)主控模塊的底層驅(qū)動(dòng)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，并很好支持雙核處理器的應(yīng)用。采用PCIe進(jìn)行VPX總線擴(kuò)展，每對(duì)總線傳輸速率為2.5 GT/S，如果采用×8模式的PCIe模式，傳輸速率可高達(dá)20 GT/S，如此高的速率為系統(tǒng)提供了非?？捎^的數(shù)據(jù)帶寬。但是在功耗方面，VPX總線硬件平臺(tái)的主控模塊功耗相對(duì)較高，系統(tǒng)主控模塊在核頻率1 GHz、雙核運(yùn)行的室溫條件下功耗達(dá)到30瓦，改用單核運(yùn)行功耗為20瓦，因此，采用E600核設(shè)計(jì)的MPC864XX處理器功耗相對(duì)較高。

[1] 包利民，潘奇.VPX總線技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J].電子機(jī)械工程，2012，28(4):57-60.

BAO Li-min,PAN Qi.VPX bus techniques and its implementation[J].Electro-Mechanical Engineering,2012,28(4):57-60.

[2] 洪艷，沈利華.基于VPX高速綜合信息處理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2011,313(3):58-61.

HONG Yan,SHEN Li-hua.Comprehensive information processing platform design based on the VPX standard[J].Missiles and Space Vehicles,2011，313(3)：58-61.

[3] 陳志列，陳超.基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化，2012,31(4):24-28.

CHEN Zhi-lie ,CHEN Chao.Research and design of advanced computing platform based on VPX bus [J].Ordnance Industry Automation,2012，31(4):24-28.

[4]Freescale. MPC8641D Integrated Host Processor Family Reference Manual[M].Freescale ,2008.

[5] 李宇，王巍.基于VPX的高性能計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(11): 2766-2768.

LI Yu,WANG Wei.Design of high-performance computer based on VPX[J].Computer Measurement and Control,2011,19(11): 2766- 2768.

[6]Baraniuk R G.How to Interface the PowerQUICC II Pro and powerQUICC III Local .Bus controller to NAND Flash[J].Freescale,2005(5):90-94.

Design and realization of the master control module based on VPX bus hardware platform

WANG Li ，F(xiàn)U Yue-sheng， CHEN Si-si
（The 722th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430079, China）

This paper lays particularly on the design and research of the master control module on the VPX bus hardware platform. First the technical standard and the current development of VPX bus are introduced. Then the designed principle of the master control module based on VPX bus system is discussed, including both the hardware design for the master control module and the software design for the operating system. Finally, the verification of whole the design is done, and the actual result is analyzed and evaluated.

VPX bus； PCIe；hardware platform；VxWorks

TN46

A

1674-6236(2014)14-0117-03

2013-10-23 稿件編號(hào)：201310153

王 麗（1977－），女，湖北洪湖人，碩士，工程師。研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)。