嵌入式計(jì)算機(jī)工程化設(shè)計(jì)分析

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1引言

某控制管理系統(tǒng)主要用于收集外部傳感器數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及邏輯判斷,最后向外部設(shè)備輸出處理后的數(shù)據(jù)及控制指令。系統(tǒng)中嵌入式計(jì)算機(jī)模塊的主要任務(wù)是處理外部通信接口的大量數(shù)據(jù)收發(fā),數(shù)據(jù)及控制邏輯處理任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單。嵌入式計(jì)算機(jī)要求具備異步串口、網(wǎng)絡(luò)接口、離散量接口等資源,滿(mǎn)足控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求,便于應(yīng)用軟件的研制、維護(hù)及升級(jí)并且能夠適用于惡劣的使用環(huán)境。傳統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)軟件聯(lián)合編譯、統(tǒng)一加載,不便于工程應(yīng)用。為滿(mǎn)足某控制管理系統(tǒng)的功能及工程化需求,對(duì)傳統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了改進(jìn),給出了采用MPC8265處理器[1]實(shí)現(xiàn)該嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案,指出了工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件功能模塊主要由電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路、中央處理器、FPGA、接口電路和存儲(chǔ)系統(tǒng)等部分組成。FPGA主要實(shí)現(xiàn)模塊的控制邏輯、LBE總線邏輯及部分外圍資源,比如串口、雙口等;接口電路主要實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)外接口信號(hào)的隔離及信號(hào)電平的變換以及串口和網(wǎng)口等。各硬件功能模塊的組成及設(shè)計(jì)要點(diǎn)與其他嵌入式計(jì)算機(jī)類(lèi)似,下面對(duì)主要功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

(1)中央處理器

中央處理器選用MPC8265芯片,工作頻率為150~300MHz,內(nèi)核電壓為1.7~2.2V。中央處理器的電路設(shè)計(jì)主要包括對(duì)一些關(guān)鍵信號(hào)的端接處理、處理器工作電源的分配及濾波、工作頻率設(shè)置電路及調(diào)試接口設(shè)計(jì)等。在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于該控制管理系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度范圍要求較寬,為保證中央處理器在高溫環(huán)境中運(yùn)行的可靠性,處理器設(shè)定的工作頻率應(yīng)低于最高值,比如200MHz;為提高中央處理器在低溫環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)定性,處理器的內(nèi)核電壓應(yīng)設(shè)置為可選范圍的上限電壓值,比如200MHz的主頻,內(nèi)核電壓值應(yīng)設(shè)定為1.9V。

(2)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)中存在3種時(shí)鐘頻率,分別為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外部總線使用的100MHz時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)接口電路使用的25MHz時(shí)鐘以及異步串行接口使用的14.7456MHz時(shí)鐘。其中100MHz是主時(shí)鐘信號(hào),采用全局時(shí)鐘的設(shè)計(jì)原則,經(jīng)CY2305芯片驅(qū)動(dòng)后,輸出給MPC8265器件和SDRAM器件。由于MPC8265器件和SDRAM器件MT48LC8M32的建立、保持時(shí)間存在差異,因此,兩者的輸入時(shí)鐘信號(hào)時(shí)序需進(jìn)行控制,最為簡(jiǎn)便的方法是控制時(shí)鐘信號(hào)的傳輸距離。工程應(yīng)用中,根據(jù)MPC8265器件和MT48LC8M32器件的建立、保持時(shí)間要求,同時(shí)結(jié)合印制板的布線面積以及所使用的FR4材料,最終要求輸入MPC8265的時(shí)鐘信號(hào)線需要比輸入MT48LC8M32的長(zhǎng)約15cm。

(3)復(fù)位設(shè)計(jì)

復(fù)位設(shè)計(jì)包括加電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、COP接口復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位等設(shè)計(jì),復(fù)位控制邏輯統(tǒng)一處理所有輸入的復(fù)位電路信號(hào),并且實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件配置字的訪問(wèn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中,MPC8265硬件配置字一般不會(huì)改變,因此,為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),提高生產(chǎn)效率,直接把硬件配置字配置在FPGA邏輯中,從而略去生產(chǎn)過(guò)程中的硬件配置字燒寫(xiě)步驟。

(4)存儲(chǔ)器系統(tǒng)

存儲(chǔ)器系統(tǒng)包括SDRAM存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和雙口存儲(chǔ)器。SDRAM存儲(chǔ)器分配在存儲(chǔ)空間的低端。在系統(tǒng)運(yùn)行中被劃分成3個(gè)功能區(qū),即操作系統(tǒng)駐留區(qū)、應(yīng)用程序駐留區(qū)、保留區(qū)。程序存儲(chǔ)器分配在存儲(chǔ)空間的高端,程序存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序區(qū)和用戶(hù)程序區(qū)。系統(tǒng)程序區(qū)用于保存系統(tǒng)程序,包括操作系統(tǒng)、底層測(cè)試與監(jiān)控軟件等程序。用戶(hù)程序區(qū)用于保存用戶(hù)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和雙口存儲(chǔ)器分別分布在存儲(chǔ)空間的高端和中端。在工程應(yīng)用中,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件和用戶(hù)軟件完全獨(dú)立的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),存儲(chǔ)器系統(tǒng)必須為系統(tǒng)軟件和用戶(hù)軟件提供完全獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域和運(yùn)行區(qū)域。

(5)總線接口設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用32位機(jī)載航空計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(LBE)總線作為對(duì)外總線接口。LBE總線與處理器總線間的橋接邏輯采用FPGA實(shí)現(xiàn),主要包括地址和數(shù)據(jù)信號(hào)的處理單元、信號(hào)的時(shí)序同步單元和控制信號(hào)邏輯實(shí)現(xiàn)單元。數(shù)據(jù)和地址信號(hào)處理單元用于實(shí)現(xiàn)處理器及LBE總線間數(shù)據(jù)和地址信號(hào)的轉(zhuǎn)換、緩沖、輸入輸出控制等。數(shù)據(jù)總線處理單元包括數(shù)據(jù)緩沖、字節(jié)交換、字節(jié)選擇輸出等模塊,支持對(duì)外部存儲(chǔ)器的對(duì)齊與不對(duì)齊的字、半字等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寬度的讀寫(xiě)操作以及突發(fā)傳輸?shù)?。時(shí)序同步單元用于對(duì)控制信號(hào)邏輯單元產(chǎn)生的控制信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)和地址信號(hào)處理單元產(chǎn)生的地址信號(hào)進(jìn)行時(shí)序控制。時(shí)序同步單元功能分為兩部分,可以分別按照處理器總線和LBE總線的時(shí)序要求完成同步控制。控制信號(hào)邏輯單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器及LBE總線間的所有控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換和訪問(wèn)模式的轉(zhuǎn)換,以及地址譯碼控制信號(hào)的產(chǎn)生等。

3軟件設(shè)計(jì)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的駐留軟件是非常重要的一部分。目前,較為常用的方式是系統(tǒng)軟件及用戶(hù)應(yīng)用軟件分別獨(dú)立設(shè)計(jì),最后把兩者代碼聯(lián)合編譯、調(diào)試并生成最終的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)駐留軟件,通過(guò)仿真器加載、固化駐留軟件。這種聯(lián)合編譯及軟件加載的方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是任務(wù)界面不清晰,維護(hù)不便,不利于工程化。為此,對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),在傳統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上增加了狀態(tài)監(jiān)控軟件及維護(hù)系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)軟件及用戶(hù)應(yīng)用程序的單獨(dú)編譯、調(diào)試以及維護(hù)系統(tǒng)軟件、操作系統(tǒng)及用戶(hù)應(yīng)用程序的單獨(dú)加載。改進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)層次如圖4所示,圖中無(wú)底色部分的軟件模塊包括板級(jí)支持包、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)及系統(tǒng)應(yīng)用軟件,這些軟件模塊的功能及組成與其他嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本相同;加底色部分為在傳統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加的系統(tǒng)軟件,其主要功能及組成如下所述。

(1)狀態(tài)監(jiān)控軟件

狀態(tài)監(jiān)控軟件位于BSP軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件之上,在BSP和設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成對(duì)計(jì)算機(jī)主要硬件資源和設(shè)備的初始化后運(yùn)行[2],負(fù)責(zé)收集設(shè)備的狀態(tài)信息,引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)入不同的工作模式。設(shè)備的狀態(tài)信息由計(jì)算機(jī)外部離散量或IO設(shè)備提供,不同的狀態(tài)信息對(duì)應(yīng)不同的工作模式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作模式分為運(yùn)行態(tài)及維護(hù)態(tài)兩種模式,其中運(yùn)行態(tài)模式是計(jì)算機(jī)的默認(rèn)模式,該模式下計(jì)算機(jī)將調(diào)用并運(yùn)行操作系統(tǒng)和用戶(hù)軟件。維護(hù)態(tài)運(yùn)行模式下,系統(tǒng)將調(diào)用并運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)軟件。軟件的主要功能模塊有兩個(gè),一是模式檢測(cè)模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同模式的檢測(cè)及引導(dǎo);二是程序搬移模塊,實(shí)現(xiàn)程序從固存向內(nèi)存的搬移。

(2)維護(hù)系統(tǒng)

該軟件主要用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的維護(hù),包括調(diào)試模式、加載模式及測(cè)試模式等3種模式,計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行模式由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)外部離散量或IO設(shè)備選擇。調(diào)試模式下,計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)軟件的在線調(diào)試,常用于軟件故障定位及軟件調(diào)試;加載模式下,可以完成對(duì)Vx-Works操作系統(tǒng)和用戶(hù)軟件的升級(jí),常用于產(chǎn)品的維護(hù)及更新;測(cè)試模式下,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試軟件對(duì)主要的硬件資源進(jìn)行測(cè)試并輸出結(jié)果。維護(hù)系統(tǒng)的主要功能模塊有3個(gè),一是軟件調(diào)試模塊,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)軟件的動(dòng)態(tài)加載、調(diào)試;二是軟件加載模塊,實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)或用戶(hù)軟件的接收、緩存、燒入及更新;三是測(cè)試模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的測(cè)試。

4應(yīng)用情況

本方案實(shí)現(xiàn)的基于MPC8265處理器的嵌入式計(jì)算機(jī),通過(guò)了某控制管理系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)度的使用驗(yàn)證,滿(mǎn)足該系統(tǒng)小型化、實(shí)時(shí)性以及惡劣的使用環(huán)境要求。經(jīng)過(guò)軟件設(shè)計(jì)人員和產(chǎn)品用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)使用,該嵌入式計(jì)算機(jī)可以有效提高應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)效率,增加軟件維護(hù)的便利性,有利于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、維護(hù)和升級(jí)。目前,該嵌入式計(jì)算機(jī)已在多個(gè)類(lèi)似的控制管理系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

5設(shè)計(jì)建議

根據(jù)實(shí)際的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在基于MPC8265的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,下面兩點(diǎn)需要特別注意。(1)內(nèi)核供電MPC8265器件的內(nèi)核供電電壓與工作頻率密切相關(guān),工作頻率越高,內(nèi)核電壓值越高,最高不能超過(guò)2.5V,工作頻率與內(nèi)核電壓推薦值關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)選用的MPC8265工作頻率和表2的推薦來(lái)選擇內(nèi)核電壓。如果內(nèi)核電壓設(shè)置為下限值,可在一定程度上降低硬件功耗,但是在特殊的低溫應(yīng)用環(huán)境中,電路的工作穩(wěn)定較差;如果內(nèi)核電壓設(shè)置為上限值,硬件功耗較高,而且在特殊的高溫應(yīng)用環(huán)境中,電路的工作穩(wěn)定較差。對(duì)于大多數(shù)普通應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計(jì)而言,內(nèi)核電壓值可以選擇推薦范圍的中間值。因此,建議內(nèi)核電壓供電電路的輸出電壓設(shè)計(jì)成可調(diào)的。實(shí)際設(shè)計(jì)中,綜合考慮應(yīng)用環(huán)境和硬件設(shè)計(jì)的具體情況,最好通過(guò)應(yīng)用環(huán)境摸底測(cè)試最終確定內(nèi)核電壓值,根據(jù)該電壓值調(diào)整內(nèi)核電壓的供電。(2)時(shí)鐘信號(hào)設(shè)計(jì)由于MPC8265器件輸出信號(hào)保持時(shí)間小于大多數(shù)SDRAM器件輸入信號(hào)的最小保持時(shí)間,因此,在MPC8265和SDRAM器件的時(shí)鐘信號(hào)電路設(shè)計(jì)中，為保證兩者信號(hào)的建立,保持時(shí)間滿(mǎn)足要求并具有一定的余量,需要對(duì)兩者的輸入時(shí)鐘信號(hào)時(shí)序進(jìn)行控制。建議采用延長(zhǎng)(相對(duì)輸入SDRAM的時(shí)鐘信號(hào)而言)輸入MPC8265的時(shí)鐘信號(hào)傳輸距離,使得輸入MPC8265的時(shí)鐘信號(hào)比輸入SDRAM的晚,從而保證MPC8265和SDRAM間信號(hào)滿(mǎn)足特定時(shí)序要求。工程設(shè)計(jì)中,選用的MPC8265器件輸出信號(hào)的最小保持時(shí)間為0.5ns,SDRAM器件MT48LC8M32輸入信號(hào)要求的最小保持時(shí)間為1ns;MPC8265器件輸入信號(hào)的保持時(shí)間要求必須大于0.5ns,MT48LC8M32數(shù)據(jù)信號(hào)輸出保持時(shí)間最小為2.5ns,因此,為滿(mǎn)足時(shí)序設(shè)計(jì)要求,輸入MPC8265的時(shí)鐘信號(hào)必須比輸入SDRAM的晚t時(shí)間(0.5ns<t<2ns)。根據(jù)FR4材料印制板中內(nèi)層信號(hào)典型的傳輸延遲約70.87ps/cm,可以換算出輸入MPC8265的時(shí)鐘信號(hào)線需要在輸入SDRAM的時(shí)鐘信號(hào)線基礎(chǔ)上延長(zhǎng)約7.06~28.19cm。

6結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某控制管理系統(tǒng)的實(shí)際工程需求,給出了基于MPC8265處理器的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),指出了工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn),給出了設(shè)計(jì)建議和軟件改進(jìn)方法,對(duì)工程應(yīng)用中的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。