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1引言
某控制管理系統主要用于收集外部傳感器數據及控制數據,對數據進行分析處理及邏輯判斷,最后向外部設備輸出處理后的數據及控制指令。系統中嵌入式計算機模塊的主要任務是處理外部通信接口的大量數據收發,數據及控制邏輯處理任務相對簡單。嵌入式計算機要求具備異步串口、網絡接口、離散量接口等資源,滿足控制任務的實時性要求,便于應用軟件的研制、維護及升級并且能夠適用于惡劣的使用環境。傳統嵌入式計算機中的應用軟件與系統軟件聯合編譯、統一加載,不便于工程應用。為滿足某控制管理系統的功能及工程化需求,對傳統嵌入式計算機系統軟件進行了改進,給出了采用MPC8265處理器[1]實現該嵌入式計算機的設計方案,指出了工程應用中的設計要點。
2硬件設計
整個嵌入式計算機系統的硬件功能模塊主要由電源、時鐘、復位電路、中央處理器、FPGA、接口電路和存儲系統等部分組成。FPGA主要實現模塊的控制邏輯、LBE總線邏輯及部分外圍資源,比如串口、雙口等;接口電路主要實現模塊內外接口信號的隔離及信號電平的變換以及串口和網口等。各硬件功能模塊的組成及設計要點與其他嵌入式計算機類似,下面對主要功能模塊的設計進行說明。
(1)中央處理器
中央處理器選用MPC8265芯片,工作頻率為150~300MHz,內核電壓為1.7~2.2V。中央處理器的電路設計主要包括對一些關鍵信號的端接處理、處理器工作電源的分配及濾波、工作頻率設置電路及調試接口設計等。在工程應用設計過程中,由于該控制管理系統的工作環境溫度范圍要求較寬,為保證中央處理器在高溫環境中運行的可靠性,處理器設定的工作頻率應低于最高值,比如200MHz;為提高中央處理器在低溫環境中運行的穩定性,處理器的內核電壓應設置為可選范圍的上限電壓值,比如200MHz的主頻,內核電壓值應設定為1.9V。
(2)時鐘設計
計算機中存在3種時鐘頻率,分別為計算機系統外部總線使用的100MHz時鐘、網絡接口電路使用的25MHz時鐘以及異步串行接口使用的14.7456MHz時鐘。其中100MHz是主時鐘信號,采用全局時鐘的設計原則,經CY2305芯片驅動后,輸出給MPC8265器件和SDRAM器件。由于MPC8265器件和SDRAM器件MT48LC8M32的建立、保持時間存在差異,因此,兩者的輸入時鐘信號時序需進行控制,最為簡便的方法是控制時鐘信號的傳輸距離。工程應用中,根據MPC8265器件和MT48LC8M32器件的建立、保持時間要求,同時結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的時鐘信號線需要比輸入MT48LC8M32的長約15cm。
(3)復位設計
復位設計包括加電復位、手動復位、COP接口復位和看門狗復位等設計,復位控制邏輯統一處理所有輸入的復位電路信號,并且實現對硬件配置字的訪問。在實際工程應用中,MPC8265硬件配置字一般不會改變,因此,為了簡化設計,提高生產效率,直接把硬件配置字配置在FPGA邏輯中,從而略去生產過程中的硬件配置字燒寫步驟。
(4)存儲器系統
存儲器系統包括SDRAM存儲器、程序存儲器、數據存儲器和雙口存儲器。SDRAM存儲器分配在存儲空間的低端。在系統運行中被劃分成3個功能區,即操作系統駐留區、應用程序駐留區、保留區。程序存儲器分配在存儲空間的高端,程序存儲器分為系統程序區和用戶程序區。系統程序區用于保存系統程序,包括操作系統、底層測試與監控軟件等程序。用戶程序區用于保存用戶應用程序。數據存儲器和雙口存儲器分別分布在存儲空間的高端和中端。在工程應用中,為了實現系統軟件和用戶軟件完全獨立的設計和開發,存儲器系統必須為系統軟件和用戶軟件提供完全獨立的存儲區域和運行區域。
(5)總線接口設計
計算機系統采用32位機載航空計算機系統(LBE)總線作為對外總線接口。LBE總線與處理器總線間的橋接邏輯采用FPGA實現,主要包括地址和數據信號的處理單元、信號的時序同步單元和控制信號邏輯實現單元。數據和地址信號處理單元用于實現處理器及LBE總線間數據和地址信號的轉換、緩沖、輸入輸出控制等。數據總線處理單元包括數據緩沖、字節交換、字節選擇輸出等模塊,支持對外部存儲器的對齊與不對齊的字、半字等動態數據寬度的讀寫操作以及突發傳輸等。時序同步單元用于對控制信號邏輯單元產生的控制信號、數據信號處理單元產生的數據信號和地址信號處理單元產生的地址信號進行時序控制。時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總線的時序要求完成同步控制。控制信號邏輯單元用于實現對處理器及LBE總線間的所有控制信號的轉換和訪問模式的轉換,以及地址譯碼控制信號的產生等。
3軟件設計
嵌入式計算機系統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軟件及用戶應用軟件分別獨立設計,最后把兩者代碼聯合編譯、調試并生成最終的嵌入式計算機系統駐留軟件,通過仿真器加載、固化駐留軟件。這種聯合編譯及軟件加載的方式實現簡單,但是任務界面不清晰,維護不便,不利于工程化。為此,對嵌入式計算機的軟件結構進行了改進,在傳統的嵌入式計算機系統軟件結構上增加了狀態監控軟件及維護系統軟件,實現了各系統軟件及用戶應用程序的單獨編譯、調試以及維護系統軟件、操作系統及用戶應用程序的單獨加載。改進的嵌入式計算機系統軟件模塊結構層次如圖4所示,圖中無底色部分的軟件模塊包括板級支持包、設備驅動、操作系統及系統應用軟件,這些軟件模塊的功能及組成與其他嵌入式計算機系統基本相同;加底色部分為在傳統嵌入式計算機系統基礎上增加的系統軟件,其主要功能及組成如下所述。
(1)狀態監控軟件
狀態監控軟件位于BSP軟件和設備驅動軟件之上,在BSP和設備驅動完成對計算機主要硬件資源和設備的初始化后運行[2],負責收集設備的狀態信息,引導設備進入不同的工作模式。設備的狀態信息由計算機外部離散量或IO設備提供,不同的狀態信息對應不同的工作模式。計算機系統的工作模式分為運行態及維護態兩種模式,其中運行態模式是計算機的默認模式,該模式下計算機將調用并運行操作系統和用戶軟件。維護態運行模式下,系統將調用并運行維護系統軟件。軟件的主要功能模塊有兩個,一是模式檢測模塊,實現對計算機系統不同模式的檢測及引導;二是程序搬移模塊,實現程序從固存向內存的搬移。
(2)維護系統
該軟件主要用于計算機系統的維護,包括調試模式、加載模式及測試模式等3種模式,計算機的實際運行模式由用戶通過計算機外部離散量或IO設備選擇。調試模式下,計算機建立了一個多任務運行環境,可以實現用戶軟件的在線調試,常用于軟件故障定位及軟件調試;加載模式下,可以完成對Vx-Works操作系統和用戶軟件的升級,常用于產品的維護及更新;測試模式下,計算機系統運行測試軟件對主要的硬件資源進行測試并輸出結果。維護系統的主要功能模塊有3個,一是軟件調試模塊,實現用戶軟件的動態加載、調試;二是軟件加載模塊,實現操作系統或用戶軟件的接收、緩存、燒入及更新;三是測試模塊,實現對硬件資源的測試。
4應用情況
本方案實現的基于MPC8265處理器的嵌入式計算機,通過了某控制管理系統的環境適應性試驗及現場高強度的使用驗證,滿足該系統小型化、實時性以及惡劣的使用環境要求。經過軟件設計人員和產品用戶現場使用,該嵌入式計算機可以有效提高應用軟件的開發效率,增加軟件維護的便利性,有利于產品的設計、研制、維護和升級。目前,該嵌入式計算機已在多個類似的控制管理系統中推廣應用。
5設計建議
根據實際的工程應用經驗,在基于MPC8265的嵌入式計算機系統設計過程中,下面兩點需要特別注意。(1)內核供電MPC8265器件的內核供電電壓與工作頻率密切相關,工作頻率越高,內核電壓值越高,最高不能超過2.5V,工作頻率與內核電壓推薦值關系。實際應用中,應根據選用的MPC8265工作頻率和表2的推薦來選擇內核電壓。如果內核電壓設置為下限值,可在一定程度上降低硬件功耗,但是在特殊的低溫應用環境中,電路的工作穩定較差;如果內核電壓設置為上限值,硬件功耗較高,而且在特殊的高溫應用環境中,電路的工作穩定較差。對于大多數普通應用環境的設計而言,內核電壓值可以選擇推薦范圍的中間值。因此,建議內核電壓供電電路的輸出電壓設計成可調的。實際設計中,綜合考慮應用環境和硬件設計的具體情況,最好通過應用環境摸底測試最終確定內核電壓值,根據該電壓值調整內核電壓的供電。(2)時鐘信號設計由于MPC8265器件輸出信號保持時間小于大多數SDRAM器件輸入信號的最小保持時間,因此,在MPC8265和SDRAM器件的時鐘信號電路設計中，為保證兩者信號的建立,保持時間滿足要求并具有一定的余量,需要對兩者的輸入時鐘信號時序進行控制。建議采用延長(相對輸入SDRAM的時鐘信號而言)輸入MPC8265的時鐘信號傳輸距離,使得輸入MPC8265的時鐘信號比輸入SDRAM的晚,從而保證MPC8265和SDRAM間信號滿足特定時序要求。工程設計中,選用的MPC8265器件輸出信號的最小保持時間為0.5ns,SDRAM器件MT48LC8M32輸入信號要求的最小保持時間為1ns;MPC8265器件輸入信號的保持時間要求必須大于0.5ns,MT48LC8M32數據信號輸出保持時間最小為2.5ns,因此,為滿足時序設計要求,輸入MPC8265的時鐘信號必須比輸入SDRAM的晚t時間(0.5ns<t<2ns)。根據FR4材料印制板中內層信號典型的傳輸延遲約70.87ps/cm,可以換算出輸入MPC8265的時鐘信號線需要在輸入SDRAM的時鐘信號線基礎上延長約7.06~28.19cm。
6結束語
本文針對某控制管理系統的實際工程需求,給出了基于MPC8265處理器的嵌入式計算機設計方案,結合實際工程經驗,指出了工程設計中的關鍵點,給出了設計建議和軟件改進方法,對工程應用中的嵌入式計算機設計具有一定的參考價值。