基于PowerPC7447A處理器的通用處理模塊設計

高　毅　韓振國

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710015）

基于PowerPC7447A處理器的通用處理模塊設計

高毅韓振國

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710015）

隨著嵌入式系統的綜合化、智能化發展，系統對數據處理能力的要求也越來越高。文章介紹了一種基于高性能處理器PowerPC7447的通用處理模塊的設計和實現，并對部分功能單元的設計進行了詳細描述。該模塊具有處理能力強、功能擴展性強、通用性強、集成度高等特點，具有較高的應用價值，目前該模塊已經應用于多種嵌入式電子設備中。

處理器；功耗；熱設計

大量的數據處理需求，需要高性能的處理器來完成相關的任務；高性能的處理器又導致了功耗的攀升；系統體積和重量的減少又導致器件密度越來越大，對功耗控制和熱設計提出了新的挑戰。本文主要介紹一款基于PowerPC7447A 處理器的高性能高集成度的通用處理模塊的設計，它采用通用化設計思想、可配置性的設計，可用于多種嵌入式系統。

1　系統概述

本文所描述的通用處理模塊是基于PowerPC7447A高性能處理器，設計采用一片PowerPC7447A、一片Tsi109橋接器，周邊配置有存儲器（包括DDR2、Flash 和NvRAM）、看門狗、LBE總線、離散量接口、422接口和調試接口等資源。模塊結構圖如圖1所示。

圖1　通用處理模塊結構框圖

模塊的結構采用3/4ATR結構，散熱方式為傳導散熱，通過模塊的鎖緊條傳導到機箱進行散熱。

2　模塊平臺介紹

2.1PowerPC7447A處理器介紹

PC7447A屬于PowerPC的處理器，其體積小巧、功能強大、低功耗、性價比高，廣泛應用于嵌入式數據處理與信號處理系統中。一片PC7447A提供1個e600內核；總線頻率可調；接口電壓可調；核心電壓可調，核心電壓為1.3V時，最大功耗18W，主頻可達1.33GHz，核心電壓1.1V時，最高功耗8W，主頻可達1GHz；4GB直接尋址空間；64數據位，36地址位總線接口；提供512KB的高帶寬、低延遲的L2 cache，是一款高性能處理器。

PowerPC7447A 集成如下功能塊：

· 高性能、超標量處理器；

· 11個獨立的執行單元和3組寄存器類；

· 32kbytes 指令Cache和32kbytes數據Cache；

· 內部集成512Kbytes 的L2Cache；

· 32位或36位地址線；

· 64位數據線；

· 整型數據類型有8，16，和32位；

· 浮點數據類型有32和64位；

· 功耗和熱管理單元；

· 測試調試接口。

2.2處理器橋簡介

處理器橋接器采用PC109，提供PowerPC74XX系列處理器到PCI總線的接口，PC109提供功能有：一個高性能的存儲器控制器，兩處理器的支持，兩通道DMA控制器，一個中斷控制器，一路消息控制器，一路I2C接口，一個時鐘鎖相環電路等。

PC109主要特性如下：

· 存儲器接口：64位數據寬度，頻率最高200MHz；支持DDR2-400 SDRAM；

· 處理器接口：處理器總線時鐘可達200MHz；支持雙處理器；支持PowerPC74XX處理器；支持存儲器一致性；64位數據寬度，32/26位地址；支持60X總線和MPX總線；

· PCI/X接口：32/64位PCI接口，操作頻率可達66MHz或配置為32/64位PCI-X接口，操作頻率可達133MHz；3.3V PCI接口；提供多達7個PCI設備的仲裁電路；校驗支持；

· 其它特性：2通道DMA控制器；消息管理單元；I2C控制器；可編程中斷控制器；集成PCI，DDR2 SDRAM時鐘產生；內部集成以太網接口，串行接口等；

· HLP（host local port）接口：4個片選，每片選最大256MB；8，16，32位數據寬度可選。

· PC109橋接器處理器接口電壓為1.8V，DDR2-400 SDRAM的接口電壓為1.8V，核心電壓為1.2V，其他接口電壓為3.3V。

2.3其他資源設計

通用處理模塊的存儲器包括DDR2存儲器、Flash 存儲器和NvRAM 存儲器。PC109 對外提供DDR2 接口和HLP 總線接口。DDR2 接口外接72 位（含8位校驗位）數據寬度的1 Gbyte的DDR2 SDRAM；支持SDRAM校驗，ECC校驗。DDR2 SDRAM時鐘頻率設計為200MHz。HLP接口掛接16位128Mbyte的應用FLASH、BOOT FLAH和512Kbyte的NVSRAM。

模塊對外提供百兆以太網接口、232調試接口、RTC日歷時鐘，以上功能都采用PC109自帶接口實現。

采用FPGA實現看門狗功能、將HLP總線轉化為LBE總線、實現10路422接口。

3　設計要點

3.1處理器主頻選擇

PowerPC7447A處理器主頻從600MHz到1.33GHz可調，PLL配置對應的CPU模塊和VCO的操作頻率，PLL的配置時鐘對應關系見表1。根據系統要求的處理效率和系統可接受的功耗選取合適的主頻。本模塊整體功耗需要控制在13W以下，系統要求處理器主頻達600MHz、處理能力達到1300MIPS以上。據此，挑選處理器主頻配置為650MHz，處理能力達1386MIPS。時鐘配置方式如圖2。

圖2　處理器主頻配置圖

選用33MHz時鐘輸入PC109，將PC109的配置管腳CG_PB_CLK（0-2）配置為“011”即處理器總線時鐘配置為100MHz；將100MHz總線時鐘輸入處理器PC7447A，并將處理器配置管腳PLL_CFG（0-4）配置為“01010”實現處理器主頻650MHz配置。

表1　PC7447A處理器PLL配置表（局部）

3.2電源設計

通用處理模塊輸入電源為+5V，處理器PC7447A核心電壓為1.1V，接口電壓為1.8V，處理器橋接器PC109核心電壓為1.2V，接口電壓為1.8V，DDR2 SDRAM的接口電壓為1.8V，以太網PHY工作電壓為2.5V，其他器件接口電壓為3.3V，電壓使用情況見表2。

表2　芯片電壓使用情況表

處理器PC7447A，PC109，DDR2 SDRAM等供電電源上電時有嚴格的上電要求，上電順序要求如圖3所示。設計采用上電時間可控的芯片LTM4616，實現電壓1.1V，1.2V，1.8V_PB，3.3V的轉換。通過對該芯片電源輸出控制端設計一RC電路對上電進行控制，即該電源輸出控制端上拉電阻到VCC，下接電容到地，電容越小上電越快，電阻越大上電越慢，通過不同電容、電阻的組合來控制幾檔電源的上電序列。采用TPS51116PWP實現3.3V轉1.8V_SD；采用TPS74401實現輸出2.5V線性電源。

圖3　上電順序

3.3熱設計

通用處理模塊作為一款高性能處理模塊，功耗高、散熱難一直都是制約其應用的瓶頸，為了進一步評估模塊在高溫環境條件工作時的溫度分布情況，確定模塊設計是否能夠在極端環境下正常工作，對其進行了熱仿真分析。

通用處理模塊結構主要由印制板、冷板、導熱墊組成。印制板上主要發熱器件布置在冷板一側，通過導熱墊將熱量傳遞至冷板。模塊裝進機箱時，冷板與機箱后壁緊貼，以利于熱量傳遞至機箱，如圖4所示。

圖4　通用處理模塊和機箱結構件示意圖

CPU模塊印制板上相應器件的發熱功耗及參數如表3所示。由表可知，CPU模塊總功耗約12.5W。根據實際機箱的安裝環境及協議要求，機箱所處環境溫度假定為70℃，散熱方式為自然散熱。

表3　主要器件參數

仿真結果如圖5所示，從左到右分別為機箱環境溫度場分布圖，機箱溫度場分布圖，印制板溫度場分布圖。

圖5　通用處理模塊溫度場分布圖

由于仿真對機箱進行了簡化，未考慮機箱散熱翅片等散熱結構，且未考慮機箱通過傳導散熱，仿真結果偏保守。

由結果可知，模塊上最高溫度為101℃。處理器與電源轉換芯片溫度最高，為101℃，其它器件溫度均在85℃以下。

處理器與電源轉換芯片節溫為125℃，仿真結果器件溫度在許用溫度范圍內；其它主要器件節溫為85℃，仿真結果模塊可以在70℃正常工作。

4　小結

本文結合高性能的PowerPC7447A處理器的特征，設計了一款通用處理模塊，對外提供422和LBE兩種接口、RS232調試接口、離散量接口以及處理器的調試接口，適用于多種電子設備。對通用處理模塊進行了熱仿真分析，該模塊能適應大多數嵌入式系統應用環境，具有很大的應用價值。

［1］ Freescale Semiconductor Inc.Programming Environments Manual For 32-Bit Implementations of the PowerPC architecture，Rev.3［EB/OL］.［2005-09-30］.http://www.freescale. com.

［2］ Freescale Semiconductor Inc.MPC7447A RISC Microprocessor Hardware Specifications，Rev.5［EB/OL］.［2005-09-30］. http://www.freescale.com.

Design of general processor module used PowerPC7447A microprocessor

With embedded system integration and intelligent development， the ability of data processing in embedded system must be higher and higher. This paper introduces the design and implementation of general processing module which uses a kind of high performance microprocessor named PowerPC7447A， and the part of the design of the functional units are described in detail. The module with functions of processing ability， strong scalability， versatility， high integration， etc， has higher application value， at present the module has been used in a variety of embedded electronic equipment.

Processor； power； thermal design

TP391.4

A

1008-1151（2016）04-0001-03

2016-03-06

高毅（1983－），女，中國航空計算技術研究所工程師，碩士，研究方向為高性能數據信號處理技術。