双PowerPC7447A处理器的机载处理平台设计

◆李乔杨 沈 华 张子明

(1.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西 710068；2.中国人民解放军 5720工厂 安徽241007)

0 引言

综合化航电系统在联合式航电系统综合化的基础上，将综合化向深度推进，实现任务管理、显示控制、数据计算以及数据融合等方面的综合，进而实现了任务处理区和数据处理区的资源共享。系统综合化的提高对处理器模块的性能提出了越来越高的要求。提高处理器主频所带来的功耗及发热量呈几何倍数增长，芯片运行不稳定的情况突出。综合化航电系统在重量、体积、功耗、可靠性方面苛刻的要求，单处理器的处理能力瓶颈日益显现。

基于PowerPC7447A处理器和Tsi109-200IL桥接芯片本文提出一种通用的处理平台可以用于完成飞机航电系统中如任务管理、显示控制、数据融合、和数据计算等功能。该平台符合VME底板总线标准，配备PMC标准接口，易于扩展。是一种高性能的COTS（商用货架产品）产品。

1 系统概述

该处理平台包括两个独立的处理单元（节点），主节点和从节点。每个处理节点采用一片处理器芯片和一片Tsi109-200IL桥接器芯片组成核心电路。PCI总线作为处理平台的内总线连接两个处理节点和其他接口电路，主节点作为PCI总线的主控完成PCI总线的初始化和仲裁。Tsi148芯片是VME总线的主控制器，它作为从设备连接在PCI总线上。平台符合VME底板总线标准，通过VME总线与航电系统的其他设备连接。平台提供两个PMC标准接口，可以按应用需求选装MBI子卡、固态电子盘子卡、高速串行总线子卡、显卡模块等提供丰富扩展功能。图1为安装MBI子卡，提供1553B总线接口的系统结构图。处理平台上两个处理单元共享一套电源转换电路、时钟电路和复位电路，在本设计中, 每个处理节点拥有独立的总线控制器、主存储器、FLASH 存储器、以太网口、串行接口等多种通信接口和中断控制器等处理器外围电路。

图1 处理平台系统结构

2 设计与实现

2.1 处理器简介

CPU芯片采用Freescale公司的PowerPC7447A处理器。该处理器是 PowerPC 系列处理器中的第四代高性能的 RISC处理器（G4），其内部集成了11个独立的执行单元和3组寄存器，32kB指令Cache和32kB数据Cache，内部集成512KB 的L2Cache ；整型数据类型支持8,16,和32位；浮点数据类型支持32和64位；64bit数据宽度，36bit地址宽度系统接口，最大工作频率1670MHz，直接寻址空间 4GB，配备功耗和热管理单元和 JTAG测试接口。

2.2 桥接器简介

桥接器采用Tundra公司Tsi109-200IL芯片，温度范围-40℃～85℃，桥接器集成存储器控制器提供 PowerPC74XX处理器到PCI总线的接口，桥接器内部包含了一个高性能的存储器控制器、一个中断控制器、一路消息控制器、一个时钟锁相环电路等。

2.3 单节点存储器电路设计

处理平台的每个单元具有独立的存储器电路，Tsi109集成的HLP总线接口和SDRAM总线接口作为存储器电路的控制器。

（1）DDR2 SDRAM

每个节点提供72位数据宽度（其中8位为ECC校验位）256Mbyte的DDR2 SDRAM，工作频率为200MHz。DDR2采用5片MT47H32M16BN-5EIT芯片以位扩展的方式实现，其中1片实现8-bit的ECC校验。

（2）Boot FLASH

每个处理节点提供32位宽度32Mbytes的Boot FLASH存储器，用于存储模块上电引导程序，模块加电自检（PUBIT）程序，Vxworks操作系统核心代码映像。Boot FLASH存储器采用2块SPANSION公司的S29GL256P10TFI010芯片以位扩展方式实现。芯片工作电压为3.3V，封装为56引脚的TSOP，容量为32Mbytes，支持整片擦写，扇区写保护等。

（3）User FLASH

每个处理单元提供32位宽度32Mbytes的USER FLASH存储器，用于存储应用程序。USER FLASH存储器采用2片SPANSION公司的S29GL256P10TFI010以位扩展方式实现。

（4）NVSRAM

每个处理单元上提供32位宽度128KB的NVSRAM，电路采用4片STK公司的STK14C88-3NF45I芯片以位扩展的方式实现。每片内有32KB的SRAM和32KB的EEPROM，8位数据宽度，工作电压为3.3V。NVSRAM用于掉电数据保护，掉电时利用大容量钽电容的电能由SRAM中的数据写入EEPROM中，上电时自动从EEPROM写入SRAM中,恢复掉电时的数据。

2.4 电源转换电路设计

模块采用+5V电源供电，内部芯片工作电压比较复杂。处理器内核电压为1.1V，接口电压为1.8V，Tsi109的内核电压为1.2V，接口电压为1.8V和3.3V，DDR2 SDRAM芯片工作电压为1.8V，参考电压为0.9V，FPGA的内核电压为2.5V，接口电压为3.3V，其它芯片均为5V或3.3V电压输入。

2.5 复位电路设计

该模块复位电路输入包括上电复位、手动复位、软件复位、JTAG复位。复位电路控制逻辑采用FPGA内部逻辑实现，主要的复位信号包括PCI复位、整板复位等。

2.6 PCI总线电路设计

PCI总线电路主要包括本地PCI总线、PCI-VME 桥和PMC 接口的设计。

（1） 本地PCI总线和PMC接口

主处理单元的Tsi109-200IL芯片作为PCI 本地总线的主控制器，实现32bit、64位66MHz 的PCI总线，PCI从设备有从处理节点，两个PMC设备，Tsi148芯片。

平台提供两个PMC接口,可同时安装两个PMC子卡，具备良好的可扩展性。接口均支持66MHz 32bit位宽PCI接口标准，每个PMC接口提供4个不同优先级PCI中断，供用户灵活使用。

（2）PCI-VME桥

VME总线桥接器采用TUNDRA公司Tsi148-133IL芯片，芯片温度范围：-40℃-+85℃，456PBGA封装，3.3VIO电压，1.8 核心电压。支持66MHz的PCI总线或133MHz 的PCI-X 总线，数据宽度可以为32位或64位。提供两路可编程DMA 控制器，具备中断处理能力，丰富的寄存器支持，IEEE1149.1 接口。

在该设计中，Tsi148配置为32位/66MHz的PCI总线，两个节点都可以通过PCI总线访问Tsi148芯片，访问VME总线。

3 软件设计

3.1 软件结构

该处理平台的每个处理节点有独立的软件配置，软件包括：boot程序，测试程序，BSP驱动程序，嵌入式操作系统，上层应用软件等。

3.2 软件接口

为保证处理平台的通用性和兼容性，其软件装载Vxworks653和Vxworks5.5两种操作系统，均具备良好的实时性和可靠性。

为方便系统使用，该平台配备应用数据加载接口，使用该加载接口软件，通过以太网接口将应用软件或者数据，以批量方式导入和烧写，提升用户使用效率。

4 测试验证

该处理平台在某型飞机任务管理与显示子系统中进行测试验证，在该系统中平台处理器运行速度降频为600MHz。

5 结束语

本文基于双PowerPC7447A处理器和Tsi109桥接器提出了一种采用PCI总线作为内部互联，满足VME底板总线标准，具有多个PMC扩展接口的高性能、强实时、高可靠性、低功耗的机载通用处理平台。该处理平台可与不同功能的PMC子卡设备搭建功能完善的处理系统，满足数据处理、任务管理、显示控制、网络管理、数据融合等不同任务要求。

实验结果表明，在处理器大幅降频使用时，该处理平台具有均衡的数据处理能力，快速的实时任务处理能力。其PCI总线传输效率高，接口丰富、易扩展，能够满足航电系统高性能、多任务、强实时、低功耗的处理要求，可广泛应用于要求高可靠性的机载嵌入式领域。