雙PowerPC7447A處理器的機載處理平臺設計

◆李喬楊 沈 華 張子明

(1.中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所 陜西 710068；2.中國人民解放軍 5720工廠 安徽241007)

0 引言

綜合化航電系統在聯合式航電系統綜合化的基礎上，將綜合化向深度推進，實現任務管理、顯示控制、數據計算以及數據融合等方面的綜合，進而實現了任務處理區和數據處理區的資源共享。系統綜合化的提高對處理器模塊的性能提出了越來越高的要求。提高處理器主頻所帶來的功耗及發熱量呈幾何倍數增長，芯片運行不穩定的情況突出。綜合化航電系統在重量、體積、功耗、可靠性方面苛刻的要求，單處理器的處理能力瓶頸日益顯現。

基于PowerPC7447A處理器和Tsi109-200IL橋接芯片本文提出一種通用的處理平臺可以用于完成飛機航電系統中如任務管理、顯示控制、數據融合、和數據計算等功能。該平臺符合VME底板總線標準，配備PMC標準接口，易于擴展。是一種高性能的COTS（商用貨架產品）產品。

1 系統概述

該處理平臺包括兩個獨立的處理單元（節點），主節點和從節點。每個處理節點采用一片處理器芯片和一片Tsi109-200IL橋接器芯片組成核心電路。PCI總線作為處理平臺的內總線連接兩個處理節點和其他接口電路，主節點作為PCI總線的主控完成PCI總線的初始化和仲裁。Tsi148芯片是VME總線的主控制器，它作為從設備連接在PCI總線上。平臺符合VME底板總線標準，通過VME總線與航電系統的其他設備連接。平臺提供兩個PMC標準接口，可以按應用需求選裝MBI子卡、固態電子盤子卡、高速串行總線子卡、顯卡模塊等提供豐富擴展功能。圖1為安裝MBI子卡，提供1553B總線接口的系統結構圖。處理平臺上兩個處理單元共享一套電源轉換電路、時鐘電路和復位電路，在本設計中, 每個處理節點擁有獨立的總線控制器、主存儲器、FLASH 存儲器、以太網口、串行接口等多種通信接口和中斷控制器等處理器外圍電路。

圖1 處理平臺系統結構

2 設計與實現

2.1 處理器簡介

CPU芯片采用Freescale公司的PowerPC7447A處理器。該處理器是 PowerPC 系列處理器中的第四代高性能的 RISC處理器（G4），其內部集成了11個獨立的執行單元和3組寄存器，32kB指令Cache和32kB數據Cache，內部集成512KB 的L2Cache ；整型數據類型支持8,16,和32位；浮點數據類型支持32和64位；64bit數據寬度，36bit地址寬度系統接口，最大工作頻率1670MHz，直接尋址空間 4GB，配備功耗和熱管理單元和 JTAG測試接口。

2.2 橋接器簡介

橋接器采用Tundra公司Tsi109-200IL芯片，溫度范圍-40℃～85℃，橋接器集成存儲器控制器提供 PowerPC74XX處理器到PCI總線的接口，橋接器內部包含了一個高性能的存儲器控制器、一個中斷控制器、一路消息控制器、一個時鐘鎖相環電路等。

2.3 單節點存儲器電路設計

處理平臺的每個單元具有獨立的存儲器電路，Tsi109集成的HLP總線接口和SDRAM總線接口作為存儲器電路的控制器。

（1）DDR2 SDRAM

每個節點提供72位數據寬度（其中8位為ECC校驗位）256Mbyte的DDR2 SDRAM，工作頻率為200MHz。DDR2采用5片MT47H32M16BN-5EIT芯片以位擴展的方式實現，其中1片實現8-bit的ECC校驗。

（2）Boot FLASH

每個處理節點提供32位寬度32Mbytes的Boot FLASH存儲器，用于存儲模塊上電引導程序，模塊加電自檢（PUBIT）程序，Vxworks操作系統核心代碼映像。Boot FLASH存儲器采用2塊SPANSION公司的S29GL256P10TFI010芯片以位擴展方式實現。芯片工作電壓為3.3V，封裝為56引腳的TSOP，容量為32Mbytes，支持整片擦寫，扇區寫保護等。

（3）User FLASH

每個處理單元提供32位寬度32Mbytes的USER FLASH存儲器，用于存儲應用程序。USER FLASH存儲器采用2片SPANSION公司的S29GL256P10TFI010以位擴展方式實現。

（4）NVSRAM

每個處理單元上提供32位寬度128KB的NVSRAM，電路采用4片STK公司的STK14C88-3NF45I芯片以位擴展的方式實現。每片內有32KB的SRAM和32KB的EEPROM，8位數據寬度，工作電壓為3.3V。NVSRAM用于掉電數據保護，掉電時利用大容量鉭電容的電能由SRAM中的數據寫入EEPROM中，上電時自動從EEPROM寫入SRAM中,恢復掉電時的數據。

2.4 電源轉換電路設計

模塊采用+5V電源供電，內部芯片工作電壓比較復雜。處理器內核電壓為1.1V，接口電壓為1.8V，Tsi109的內核電壓為1.2V，接口電壓為1.8V和3.3V，DDR2 SDRAM芯片工作電壓為1.8V，參考電壓為0.9V，FPGA的內核電壓為2.5V，接口電壓為3.3V，其它芯片均為5V或3.3V電壓輸入。

2.5 復位電路設計

該模塊復位電路輸入包括上電復位、手動復位、軟件復位、JTAG復位。復位電路控制邏輯采用FPGA內部邏輯實現，主要的復位信號包括PCI復位、整板復位等。

2.6 PCI總線電路設計

PCI總線電路主要包括本地PCI總線、PCI-VME 橋和PMC 接口的設計。

（1） 本地PCI總線和PMC接口

主處理單元的Tsi109-200IL芯片作為PCI 本地總線的主控制器，實現32bit、64位66MHz 的PCI總線，PCI從設備有從處理節點，兩個PMC設備，Tsi148芯片。

平臺提供兩個PMC接口,可同時安裝兩個PMC子卡，具備良好的可擴展性。接口均支持66MHz 32bit位寬PCI接口標準，每個PMC接口提供4個不同優先級PCI中斷，供用戶靈活使用。

（2）PCI-VME橋

VME總線橋接器采用TUNDRA公司Tsi148-133IL芯片，芯片溫度范圍：-40℃-+85℃，456PBGA封裝，3.3VIO電壓，1.8 核心電壓。支持66MHz的PCI總線或133MHz 的PCI-X 總線，數據寬度可以為32位或64位。提供兩路可編程DMA 控制器，具備中斷處理能力，豐富的寄存器支持，IEEE1149.1 接口。

在該設計中，Tsi148配置為32位/66MHz的PCI總線，兩個節點都可以通過PCI總線訪問Tsi148芯片，訪問VME總線。

3 軟件設計

3.1 軟件結構

該處理平臺的每個處理節點有獨立的軟件配置，軟件包括：boot程序，測試程序，BSP驅動程序，嵌入式操作系統，上層應用軟件等。

3.2 軟件接口

為保證處理平臺的通用性和兼容性，其軟件裝載Vxworks653和Vxworks5.5兩種操作系統，均具備良好的實時性和可靠性。

為方便系統使用，該平臺配備應用數據加載接口，使用該加載接口軟件，通過以太網接口將應用軟件或者數據，以批量方式導入和燒寫，提升用戶使用效率。

4 測試驗證

該處理平臺在某型飛機任務管理與顯示子系統中進行測試驗證，在該系統中平臺處理器運行速度降頻為600MHz。

5 結束語

本文基于雙PowerPC7447A處理器和Tsi109橋接器提出了一種采用PCI總線作為內部互聯，滿足VME底板總線標準，具有多個PMC擴展接口的高性能、強實時、高可靠性、低功耗的機載通用處理平臺。該處理平臺可與不同功能的PMC子卡設備搭建功能完善的處理系統，滿足數據處理、任務管理、顯示控制、網絡管理、數據融合等不同任務要求。

實驗結果表明，在處理器大幅降頻使用時，該處理平臺具有均衡的數據處理能力，快速的實時任務處理能力。其PCI總線傳輸效率高，接口豐富、易擴展，能夠滿足航電系統高性能、多任務、強實時、低功耗的處理要求，可廣泛應用于要求高可靠性的機載嵌入式領域。