基于PowerPC7447A處理器的通用處理模塊設(shè)計(jì)

高　毅　韓振國(guó)

（中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710015）

基于PowerPC7447A處理器的通用處理模塊設(shè)計(jì)

高毅韓振國(guó)

（中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710015）

隨著嵌入式系統(tǒng)的綜合化、智能化發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求也越來(lái)越高。文章介紹了一種基于高性能處理器PowerPC7447的通用處理模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)部分功能單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述。該模塊具有處理能力強(qiáng)、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、集成度高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，目前該模塊已經(jīng)應(yīng)用于多種嵌入式電子設(shè)備中。

處理器；功耗；熱設(shè)計(jì)

大量的數(shù)據(jù)處理需求，需要高性能的處理器來(lái)完成相關(guān)的任務(wù)；高性能的處理器又導(dǎo)致了功耗的攀升；系統(tǒng)體積和重量的減少又導(dǎo)致器件密度越來(lái)越大，對(duì)功耗控制和熱設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。本文主要介紹一款基于PowerPC7447A 處理器的高性能高集成度的通用處理模塊的設(shè)計(jì)，它采用通用化設(shè)計(jì)思想、可配置性的設(shè)計(jì)，可用于多種嵌入式系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)概述

本文所描述的通用處理模塊是基于PowerPC7447A高性能處理器，設(shè)計(jì)采用一片PowerPC7447A、一片Tsi109橋接器，周邊配置有存儲(chǔ)器（包括DDR2、Flash 和NvRAM）、看門狗、LBE總線、離散量接口、422接口和調(diào)試接口等資源。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　通用處理模塊結(jié)構(gòu)框圖

模塊的結(jié)構(gòu)采用3/4ATR結(jié)構(gòu)，散熱方式為傳導(dǎo)散熱，通過(guò)模塊的鎖緊條傳導(dǎo)到機(jī)箱進(jìn)行散熱。

2　模塊平臺(tái)介紹

2.1PowerPC7447A處理器介紹

PC7447A屬于PowerPC的處理器，其體積小巧、功能強(qiáng)大、低功耗、性價(jià)比高，廣泛應(yīng)用于嵌入式數(shù)據(jù)處理與信號(hào)處理系統(tǒng)中。一片PC7447A提供1個(gè)e600內(nèi)核；總線頻率可調(diào)；接口電壓可調(diào)；核心電壓可調(diào)，核心電壓為1.3V時(shí)，最大功耗18W，主頻可達(dá)1.33GHz，核心電壓1.1V時(shí)，最高功耗8W，主頻可達(dá)1GHz；4GB直接尋址空間；64數(shù)據(jù)位，36地址位總線接口；提供512KB的高帶寬、低延遲的L2 cache，是一款高性能處理器。

PowerPC7447A 集成如下功能塊：

· 高性能、超標(biāo)量處理器；

· 11個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元和3組寄存器類；

· 32kbytes 指令Cache和32kbytes數(shù)據(jù)Cache；

· 內(nèi)部集成512Kbytes 的L2Cache；

· 32位或36位地址線；

· 64位數(shù)據(jù)線；

· 整型數(shù)據(jù)類型有8，16，和32位；

· 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型有32和64位；

· 功耗和熱管理單元；

· 測(cè)試調(diào)試接口。

2.2處理器橋簡(jiǎn)介

處理器橋接器采用PC109，提供PowerPC74XX系列處理器到PCI總線的接口，PC109提供功能有：一個(gè)高性能的存儲(chǔ)器控制器，兩處理器的支持，兩通道DMA控制器，一個(gè)中斷控制器，一路消息控制器，一路I2C接口，一個(gè)時(shí)鐘鎖相環(huán)電路等。

PC109主要特性如下：

· 存儲(chǔ)器接口：64位數(shù)據(jù)寬度，頻率最高200MHz；支持DDR2-400 SDRAM；

· 處理器接口：處理器總線時(shí)鐘可達(dá)200MHz；支持雙處理器；支持PowerPC74XX處理器；支持存儲(chǔ)器一致性；64位數(shù)據(jù)寬度，32/26位地址；支持60X總線和MPX總線；

· PCI/X接口：32/64位PCI接口，操作頻率可達(dá)66MHz或配置為32/64位PCI-X接口，操作頻率可達(dá)133MHz；3.3V PCI接口；提供多達(dá)7個(gè)PCI設(shè)備的仲裁電路；校驗(yàn)支持；

· 其它特性：2通道DMA控制器；消息管理單元；I2C控制器；可編程中斷控制器；集成PCI，DDR2 SDRAM時(shí)鐘產(chǎn)生；內(nèi)部集成以太網(wǎng)接口，串行接口等；

· HLP（host local port）接口：4個(gè)片選，每片選最大256MB；8，16，32位數(shù)據(jù)寬度可選。

· PC109橋接器處理器接口電壓為1.8V，DDR2-400 SDRAM的接口電壓為1.8V，核心電壓為1.2V，其他接口電壓為3.3V。

2.3其他資源設(shè)計(jì)

通用處理模塊的存儲(chǔ)器包括DDR2存儲(chǔ)器、Flash 存儲(chǔ)器和NvRAM 存儲(chǔ)器。PC109 對(duì)外提供DDR2 接口和HLP 總線接口。DDR2 接口外接72 位（含8位校驗(yàn)位）數(shù)據(jù)寬度的1 Gbyte的DDR2 SDRAM；支持SDRAM校驗(yàn)，ECC校驗(yàn)。DDR2 SDRAM時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)為200MHz。HLP接口掛接16位128Mbyte的應(yīng)用FLASH、BOOT FLAH和512Kbyte的NVSRAM。

模塊對(duì)外提供百兆以太網(wǎng)接口、232調(diào)試接口、RTC日歷時(shí)鐘，以上功能都采用PC109自帶接口實(shí)現(xiàn)。

采用FPGA實(shí)現(xiàn)看門狗功能、將HLP總線轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)BE總線、實(shí)現(xiàn)10路422接口。

3　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1處理器主頻選擇

PowerPC7447A處理器主頻從600MHz到1.33GHz可調(diào)，PLL配置對(duì)應(yīng)的CPU模塊和VCO的操作頻率，PLL的配置時(shí)鐘對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。根據(jù)系統(tǒng)要求的處理效率和系統(tǒng)可接受的功耗選取合適的主頻。本模塊整體功耗需要控制在13W以下，系統(tǒng)要求處理器主頻達(dá)600MHz、處理能力達(dá)到1300MIPS以上。據(jù)此，挑選處理器主頻配置為650MHz，處理能力達(dá)1386MIPS。時(shí)鐘配置方式如圖2。

圖2　處理器主頻配置圖

選用33MHz時(shí)鐘輸入PC109，將PC109的配置管腳CG_PB_CLK（0-2）配置為“011”即處理器總線時(shí)鐘配置為100MHz；將100MHz總線時(shí)鐘輸入處理器PC7447A，并將處理器配置管腳PLL_CFG（0-4）配置為“01010”實(shí)現(xiàn)處理器主頻650MHz配置。

表1　PC7447A處理器PLL配置表（局部）

3.2電源設(shè)計(jì)

通用處理模塊輸入電源為+5V，處理器PC7447A核心電壓為1.1V，接口電壓為1.8V，處理器橋接器PC109核心電壓為1.2V，接口電壓為1.8V，DDR2 SDRAM的接口電壓為1.8V，以太網(wǎng)PHY工作電壓為2.5V，其他器件接口電壓為3.3V，電壓使用情況見(jiàn)表2。

表2　芯片電壓使用情況表

處理器PC7447A，PC109，DDR2 SDRAM等供電電源上電時(shí)有嚴(yán)格的上電要求，上電順序要求如圖3所示。設(shè)計(jì)采用上電時(shí)間可控的芯片LTM4616，實(shí)現(xiàn)電壓1.1V，1.2V，1.8V_PB，3.3V的轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)該芯片電源輸出控制端設(shè)計(jì)一RC電路對(duì)上電進(jìn)行控制，即該電源輸出控制端上拉電阻到VCC，下接電容到地，電容越小上電越快，電阻越大上電越慢，通過(guò)不同電容、電阻的組合來(lái)控制幾檔電源的上電序列。采用TPS51116PWP實(shí)現(xiàn)3.3V轉(zhuǎn)1.8V_SD；采用TPS74401實(shí)現(xiàn)輸出2.5V線性電源。

圖3　上電順序

3.3熱設(shè)計(jì)

通用處理模塊作為一款高性能處理模塊，功耗高、散熱難一直都是制約其應(yīng)用的瓶頸，為了進(jìn)一步評(píng)估模塊在高溫環(huán)境條件工作時(shí)的溫度分布情況，確定模塊設(shè)計(jì)是否能夠在極端環(huán)境下正常工作，對(duì)其進(jìn)行了熱仿真分析。

通用處理模塊結(jié)構(gòu)主要由印制板、冷板、導(dǎo)熱墊組成。印制板上主要發(fā)熱器件布置在冷板一側(cè)，通過(guò)導(dǎo)熱墊將熱量傳遞至冷板。模塊裝進(jìn)機(jī)箱時(shí)，冷板與機(jī)箱后壁緊貼，以利于熱量傳遞至機(jī)箱，如圖4所示。

圖4　通用處理模塊和機(jī)箱結(jié)構(gòu)件示意圖

CPU模塊印制板上相應(yīng)器件的發(fā)熱功耗及參數(shù)如表3所示。由表可知，CPU模塊總功耗約12.5W。根據(jù)實(shí)際機(jī)箱的安裝環(huán)境及協(xié)議要求，機(jī)箱所處環(huán)境溫度假定為70℃，散熱方式為自然散熱。

表3　主要器件參數(shù)

仿真結(jié)果如圖5所示，從左到右分別為機(jī)箱環(huán)境溫度場(chǎng)分布圖，機(jī)箱溫度場(chǎng)分布圖，印制板溫度場(chǎng)分布圖。

圖5　通用處理模塊溫度場(chǎng)分布圖

由于仿真對(duì)機(jī)箱進(jìn)行了簡(jiǎn)化，未考慮機(jī)箱散熱翅片等散熱結(jié)構(gòu)，且未考慮機(jī)箱通過(guò)傳導(dǎo)散熱，仿真結(jié)果偏保守。

由結(jié)果可知，模塊上最高溫度為101℃。處理器與電源轉(zhuǎn)換芯片溫度最高，為101℃，其它器件溫度均在85℃以下。

處理器與電源轉(zhuǎn)換芯片節(jié)溫為125℃，仿真結(jié)果器件溫度在許用溫度范圍內(nèi)；其它主要器件節(jié)溫為85℃，仿真結(jié)果模塊可以在70℃正常工作。

4　小結(jié)

本文結(jié)合高性能的PowerPC7447A處理器的特征，設(shè)計(jì)了一款通用處理模塊，對(duì)外提供422和LBE兩種接口、RS232調(diào)試接口、離散量接口以及處理器的調(diào)試接口，適用于多種電子設(shè)備。對(duì)通用處理模塊進(jìn)行了熱仿真分析，該模塊能適應(yīng)大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ Freescale Semiconductor Inc.Programming Environments Manual For 32-Bit Implementations of the PowerPC architecture，Rev.3［EB/OL］.［2005-09-30］.http://www.freescale. com.

［2］ Freescale Semiconductor Inc.MPC7447A RISC Microprocessor Hardware Specifications，Rev.5［EB/OL］.［2005-09-30］. http://www.freescale.com.

Design of general processor module used PowerPC7447A microprocessor

With embedded system integration and intelligent development， the ability of data processing in embedded system must be higher and higher. This paper introduces the design and implementation of general processing module which uses a kind of high performance microprocessor named PowerPC7447A， and the part of the design of the functional units are described in detail. The module with functions of processing ability， strong scalability， versatility， high integration， etc， has higher application value， at present the module has been used in a variety of embedded electronic equipment.

Processor； power； thermal design

TP391.4

A

1008-1151（2016）04-0001-03

2016-03-06

高毅（1983－），女，中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所工程師，碩士，研究方向?yàn)楦咝阅軘?shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)。