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1 前言 對稱(chēng)多處理(SMP)是一種基本的并行處理結構．它的基本特點(diǎn)是所有處理器對系統公共資源的訪(fǎng)問(wèn)權限完全相同，即處理器之間完全對稱(chēng)。SMP系統在軟件方面具有容易編程的特點(diǎn)。伴隨著(zhù)并行計算及多核處理器的流行，SMP系統得到越來(lái)越廣泛的應用。 MPC7448是Freescale公司推出的一款高性能PowerPC處理器芯片，該芯片采用超標量e600內核。該處理器具備高性能、低功耗的特點(diǎn)，非常適合于尖端計算、嵌入式網(wǎng)絡(luò )通信、信號處理等應用場(chǎng)合。Tsi109是Tundra公司專(zhuān)為PowerPC處理器設計的主橋芯片，它支持Freescale的MPC74xx和IBM的PPC750xx系列芯片。Tsi148是Tundra公司推出的PCI/X-VME橋接芯片。 本文的嵌入式SMP系統基于MPC7448芯片，結合主橋芯片Tsi109和橋接芯片Tsi148設計的一個(gè)vME單板機。該系統具備優(yōu)秀的計算性能，具有良好的通信能力。文章介紹了該嵌入式系統的硬件系統設計和系統軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。 2 系統硬件設計 2．1 系統整體簡(jiǎn)介 構建SMP系統需要處理器和主橋芯片的硬件支持，MPC7448和Tsi109支持sMP系統，Tsi109支持兩個(gè)處理器。 Tsi109提供如下接口功能：處理器接口；DDR2內存系統接口；HLP接口；PCI/X總線(xiàn)接口；還集成了千兆以太網(wǎng)口和UART口。Tsi109提供了接口控制和接口間的高速互連功能，因此，本文以Tsi109為中心進(jìn)行系統構建。系統整體結構如圖(1)所示，系統充分利用了Tsi109提供的接口功能，并通過(guò)PCI/X總線(xiàn)擴展了VME總線(xiàn)和PMC接口。 
圖1 系統整體結構圖 2．2 處理器接口設計 可以把該接口信號分為三類(lèi)：時(shí)鐘信號、單向點(diǎn)對點(diǎn)信號和普通信號。說(shuō)明如下：(1)Tsi109提供三個(gè)完全相同的時(shí)鐘信號，可以為2個(gè)處理器及反饋使用。(2)單向點(diǎn)對點(diǎn)信號主要是仲裁信號和中斷信號。分為兩組分別接兩個(gè)處理器。(3)普通信號為兩個(gè)處理器共用。由于對兩個(gè)處理器共用，在布線(xiàn)時(shí)需要選擇合適的拓撲結構，推薦使用Y型結構。 為了區分系統中的兩個(gè)處理器。把它們標識為CPUO和CPU1。系統可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行識別：(1)讀取自己的寄存器位MSSCR0[ID]。(2)讀取Tsi109的寄存器位PB_BUS_MS_SELE CT[WAMI]。連接到PB_BGn[0]的處理器總讀取到0，連接到PB_BGn[l]的處理器總讀取到1。我們把連接PB_BGn[0]的處理器設置為CPU0．把另一個(gè)設置為CPU1。 2．3 存儲系統設計 Tsi109支持DDR2-400內存系統。內存接口包括數據信號、時(shí)鐘信號、地地命令信號和控制信號。其中，數據信號包括64位數據位、8位校驗位和18對源同步差分時(shí)鐘信號；時(shí)鐘信號包括6對差分時(shí)鐘信號，分為兩組分別由寄存器位SD_D[O，l]_CTRL[CLK_DISABLE]控制；控制信號分兩組，包括2個(gè)時(shí)鐘使能、4個(gè)0DT使能和4個(gè)片選，因此，Tsi109支持2個(gè)DIMM內存插槽，可以使用1-Bnak或2-Bank內存條。 本文使用內存顆粒K4T51083QC通過(guò)位擴展方式構建內存系統，使用第一組控制信號。把數據位和校驗位依次分為9個(gè)字節，源腳步信號和字節號依次對應。每個(gè)字節對應一個(gè)芯片；控制信號、地址/命令信號為所有芯片共用；為了布線(xiàn)方便， 兩個(gè)芯片使用一個(gè)時(shí)鐘信號，為此，在內存初始化時(shí)不但要設置DIMMO寄存器組，還要正確設置SD_D{l}_CTRL[CLK—DISABLE]。上述信號中．數據信號是點(diǎn)對點(diǎn)連接，DDR2內存系統對這些信號提供了片上終端(0DT)，因此，拓撲結構簡(jiǎn)單，信號完整性也容易得到保證，為方便布線(xiàn)還可以進(jìn)行片內交換；其余信號都是一對多連接，必須選擇合適的拓撲結構和布線(xiàn)約束，并且要對這些信號添加終端匹配電阻。通過(guò)仿真。選擇使用對稱(chēng)二叉樹(shù)結構進(jìn)行布局、布線(xiàn)，校驗芯片掛在第一個(gè)節點(diǎn)上。 HLP接口是Tsi109提供的一種低速存儲器接口，可以?huà)燧dROM、EEPROM、FLASH、SRAM、NVRAM等多種存儲設備。該接口有4個(gè)片選信號�？梢�?huà)燧d4個(gè)獨立外設。本系統充分使用了這4個(gè)片選信號，在HLP_CS0上掛載AM29LV040B作為啟動(dòng)FLASH。該接口有兩種工作模式：鎖存模式和非鎖存模式。鎖存模式下地址信號更加穩定，而且，由于獨立使用32位HLP_AD用于地址信號和數據信號，可以使用大容量Flash芯片，還可以使用32位器件。本系統全部使用鎖存模式。 HLP是系統中重要接口。在系統加電及完成內部寄存器初始化后，MPC7448開(kāi)始向Ox0_FFF0_0100位置讀取第一條外部指令．這一讀取指令被Tsi109自動(dòng)引導到HLP接口與HLP_CS0連接設備上。因此，這里要保存系統的啟動(dòng)程序，操作系統和應用程序也保存在該接口的存儲設備上。 2．4 通信系統設計 本系統使用PCI/X-VME橋接芯片Tsil48進(jìn)行VME總線(xiàn)設計。Tsil48的信號可以分為PCI/X接口信號和VME接口信號。PCI/X接口信號連接系統PCI，X總線(xiàn)，占用PCI總線(xiàn)的PCI_REQ1，PCI_GNTl；VME接口信號通過(guò)TI公司VME收發(fā)芯片SN74VMEH2250l和VME連接器相連。Tsil48支持2eSST協(xié)議。 Tsi109集成以太網(wǎng)控制接口，可以連接兩個(gè)物理連接設備(PHY)。本文使用Broadcom公司的以太網(wǎng)收發(fā)芯片BCM546l進(jìn)行網(wǎng)口設計。BCM5461與Tsi109的連接使用千兆比特介質(zhì)無(wú)關(guān)接口(GMⅡ)協(xié)議，與RJ45接口的連接通過(guò)隔離變壓器。 串口是系統調試中一個(gè)方便接口。Tundra公司把串口集成到Tsi109中，簡(jiǎn)化了系統串口設計。串口的電路設計較為簡(jiǎn)單，使用一個(gè)電平轉換芯片MAx3222連接Rs232連接器。 2．5 系統時(shí)鐘和電源設計 系統使用一個(gè)33MHz的晶振作為基準時(shí)鐘源，接入Tsi109的輸入管腳CG_REF．經(jīng)過(guò)內部倍頻、緩沖，生成處理器接口、DDR2內存接口、PCI/X接口及Tsi109內部所需的時(shí)鐘信號。處理器接口和DDR2內存接口的倍頻因子可以通過(guò)CC_PB_SELECT[0．．2]和CG_SD_SELECT[0．．2]進(jìn)行配置。 電源設計是系統設計中非常重要的組成部分，電源的穩定性將影響到系統的可靠性和穩定性。系統中電壓值較多，多電壓器件對加電時(shí)序也有一定要求。本文通過(guò)兩個(gè)相互聯(lián)系的步驟進(jìn)行電源設計：(1)分析系統所需電壓值，進(jìn)行電壓值的最大功耗統計，然后進(jìn)行電源芯片的選型和電路設計；(2)分析多電壓芯片的時(shí)序要求，設計系統的加電時(shí)序，然后對分立電源添加控制．組成完整的電源系統。系統為MPC7448內核選用TI公司的電源模塊PTH03030。其余電壓使用電源芯片構建；使用ADM1085進(jìn)行時(shí)序控制。 3 系統軟件開(kāi)發(fā) SMP系統需要操作系統的支持才能使用。在嵌入式領(lǐng)域，目前支持PowerPc且支持SMP的操作系統有Linux、QNX、eCos等．另一個(gè)重要操作系統VxWorks在新版本6．6中加入了對SMP支持。本文使用Linux操作系統。 進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，首先要建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境�？梢韵螺d最新內核源碼包及工具鏈包，自行構建、配置開(kāi)發(fā)環(huán)境。本文選擇使用ELDK開(kāi)發(fā)套件。 3．1 U-Boot的移植 U—Boot是一個(gè)開(kāi)放源代碼的固件程序。它起源于PPCBoot，基于PowerPc處理器編寫(xiě)。目前能夠支持PowerPC、ARM、x86、MIPs等多種處理器，支持上百種系統平臺，能夠引導Linux、NetBSD、vxworks等多種操作系統。本文使用U—Boot構建系統的啟動(dòng)程序。 PowerPC體系結構的I/O尋址采用內存映射方式，即內存地址和I/O地址統一編碼，在進(jìn)行代碼移植前，需要首先確定系統的地址映射關(guān)系，本系統地址映射見(jiàn)表(1)。u—Boot的移植可以通過(guò)以下步驟進(jìn)行：(1)搜索u—Boot源碼，找到一個(gè)和目標板最為接近的參考平臺mpc7448hpc2；在board目錄下創(chuàng )建目標板目錄smp7448，復制參考平臺文件到該目錄，修改文件名為smp7448．c．在include/configs目錄下找到參考板頭文件，復制并創(chuàng )建目標板頭文件smp7448．h；在頂層目錄Makefile文件內添加目標板定義。(2)根據地址映射表修改目標板頭文件中宏定義，這需要參考MPC7448和Tsi109相關(guān)寄存器格式；閱讀目標板源代碼，根據系統參數進(jìn)行必要的修改和調整。(3)編譯、下載和調試，直至順利啟動(dòng)，能夠進(jìn)入命令狀態(tài)。 表1 系統地址映射表
上述是單處理器的U-Boot移植，在SMP系統下稍有不同。大多數SMP系統的啟動(dòng)過(guò)程都由一個(gè)處理器來(lái)完成。其它處理器處于待命狀態(tài)。在PowerPc平臺規范中，負責啟動(dòng)的處理器稱(chēng)作主處理器．其余為從處理器。對SMP系統的U—Boot移植，需要在單處理器初始化代碼的開(kāi)始部分添加一個(gè)基于處理器識別的分支處理代碼，讓主處理器正常執行，從處理器直接跳轉某地址(linux下為一secondary_hold)。需要說(shuō)明的是。這里的“主”、“從”概念只在系統初始化階段有意義，操作系統初始化完畢后處理器之間完全對稱(chēng)。 3．2 Linux的移植 LinⅡ操作系統是一個(gè)基于CPL版權的自由軟件。目前，Linux已經(jīng)支持x86、ARM、PowerPc、MIPs等多種處理器平臺，另一方面。Linux已經(jīng)在嵌入式系統．PC系統、服務(wù)器等場(chǎng)合得到廣泛應用。自2.0版本開(kāi)始提供對SMP支持，2．2版本添加PowerPc平臺上SMP支持，直至在2．6版本中做了重大改進(jìn)，包括復雜度為調度算法、獨立的運行隊列、基于優(yōu)先級的任務(wù)搶占、SMP負載平衡等，Linux才更好地支持了SMP系統。 Linux源碼分為體系無(wú)關(guān)和體系相關(guān)兩部分，后者又可以具體分為處理器相關(guān)和平臺相關(guān)。移植工作主要在平臺相關(guān)代碼部分。Linux移植可以通過(guò)以下步驟進(jìn)行：(1)查找和目標平臺相似的參考平臺，在arch/powerpc/platforms 目錄下創(chuàng )建目標板目錄(本文目標板使用原有的platforms/embedded6xx目錄)． 添加目標板配置源文件和頭文件，在該目錄Makefile文件和內核配置文件Kconfig里添加目標板信息；在頂層Makefile文件內設置目標板編譯參數：ARCH=powerpc及CR0SS_COMPILE=ppc_74xx-；(2)進(jìn)行目標板平臺代碼的修改；添加必要的驅動(dòng)程序；(3)配置目標板：make menuconfig；編譯生成內核鏡像： make；制作根文件系統；(4)在u-Boot啟動(dòng)完畢后，使用tftp下載Linux內核鏡像和根文件系統，運行Linux。 u-Boot及Linux移植成功后，即可進(jìn)行應用軟件的開(kāi)發(fā)。 4 結束語(yǔ) 本文介紹了一個(gè)基于PowerPc的嵌入式SMP系統設計。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于，分析和設計了一個(gè)基于PowerPC的SMP系統。并介紹了相應的系統軟件開(kāi)發(fā)。本文可為嵌入式系統設計提供一定參考價(jià)值。 作者：李相國，楊樹(shù)元 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與soc)2009年第5-2期 |
