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1 前言 對(duì)稱多處理(SMP)是一種基本的并行處理結(jié)構(gòu)．它的基本特點(diǎn)是所有處理器對(duì)系統(tǒng)公共資源的訪問權(quán)限完全相同，即處理器之間完全對(duì)稱。SMP系統(tǒng)在軟件方面具有容易編程的特點(diǎn)。伴隨著并行計(jì)算及多核處理器的流行，SMP系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)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(biāo)量e600內(nèi)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(jì)算、嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信、信號(hào)處理等應(yīng)用場合。Tsi109是Tundra公司專為PowerPC處理器設(shè)計(jì)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(tǒng)基于MPC7448芯片，結(jié)合主橋芯片Tsi109和橋接芯片Tsi148設(shè)計(jì)的一個(gè)vME單板機(jī)。該系統(tǒng)具備優(yōu)秀的計(jì)算性能，具有良好的通信能力。文章介紹了該嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件開發(fā)過程。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2．1 系統(tǒng)整體簡介 構(gòu)建SMP系統(tǒng)需要處理器和主橋芯片的硬件支持，MPC7448和Tsi109支持sMP系統(tǒng)，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(nèi)存系統(tǒng)接口；HLP接口；PCI/X總線接口；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(tǒng)構(gòu)建。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖(1)所示，系統(tǒng)充分利用了Tsi109提供的接口功能，并通過PCI/X總線擴(kuò)展了VME總線和PMC接口。 
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 2．2 處理器接口設(shè)計(jì) 可以把該接口信號(hào)分為三類：時(shí)鐘信號(hào)、單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)和普通信號(hào)。說明如下：(1)Tsi109提供三個(gè)完全相同的時(shí)鐘信號(hào)，可以為2個(gè)處理器及反饋使用。(2)單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)主要是仲裁信號(hào)和中斷信號(hào)。分為兩組分別接兩個(gè)處理器。(3)普通信號(hào)為兩個(gè)處理器共用。由于對(duì)兩個(gè)處理器共用，在布線時(shí)需要選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推薦使用Y型結(jié)構(gòu)。 為了區(qū)分系統(tǒng)中的兩個(gè)處理器。把它們標(biāo)識(shí)為CPUO和CPU1。系統(tǒng)可以通過兩種方式進(jìn)行識(shí)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(shè)置為CPU0．把另一個(gè)設(shè)置為CPU1。 2．3 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì) Tsi109支持DDR2-400內(nèi)存系統(tǒng)。內(nèi)存接口包括數(shù)據(jù)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、地地命令信號(hào)和控制信號(hào)。其中，數(shù)據(jù)信號(hào)包括64位數(shù)據(jù)位、8位校驗(yàn)位和18對(duì)源同步差分時(shí)鐘信號(hào)；時(shí)鐘信號(hào)包括6對(duì)差分時(shí)鐘信號(hào)，分為兩組分別由寄存器位SD_D[O，l]_CTRL[CLK_DISABLE]控制；控制信號(hào)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(nèi)存插槽，可以使用1-Bnak或2-Bank內(nèi)存條。 本文使用內(nèi)存顆粒K4T51083QC通過位擴(kuò)展方式構(gòu)建內(nèi)存系統(tǒng)，使用第一組控制信號(hào)。把數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位依次分為9個(gè)字節(jié)，源腳步信號(hào)和字節(jié)號(hào)依次對(duì)應(yīng)。每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片；控制信號(hào)、地址/命令信號(hào)為所有芯片共用；為了布線方便， 兩個(gè)芯片使用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，為此，在內(nèi)存初始化時(shí)不但要設(shè)置DIMMO寄存器組，還要正確設(shè)置SD_D{l}_CTRL[CLK—DISABLE]。上述信號(hào)中．?dāng)?shù)據(jù)信號(hào)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，DDR2內(nèi)存系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)提供了片上終端(0DT)，因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，信號(hào)完整性也容易得到保證，為方便布線還可以進(jìn)行片內(nèi)交換；其余信號(hào)都是一對(duì)多連接，必須選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布線約束，并且要對(duì)這些信號(hào)添加終端匹配電阻。通過仿真。選擇使用對(duì)稱二叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局、布線，校驗(yàn)芯片掛在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。 HLP接口是Tsi109提供的一種低速存儲(chǔ)器接口，可以掛載ROM、EEPROM、FLASH、SRAM、NVRAM等多種存儲(chǔ)設(shè)備。該接口有4個(gè)片選信號(hào)。可以掛載4個(gè)獨(dú)立外設(shè)。本系統(tǒng)充分使用了這4個(gè)片選信號(hào)，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(hào)更加穩(wěn)定，而且，由于獨(dú)立使用32位HLP_AD用于地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，可以使用大容量Flash芯片，還可以使用32位器件。本系統(tǒng)全部使用鎖存模式。 HLP是系統(tǒng)中重要接口。在系統(tǒng)加電及完成內(nèi)部寄存器初始化后，MPC7448開始向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(dǎo)到HLP接口與HLP_CS0連接設(shè)備上。因此，這里要保存系統(tǒng)的啟動(dòng)程序，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序也保存在該接口的存儲(chǔ)設(shè)備上。 2．4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)使用PCI/X-VME橋接芯片Tsil48進(jìn)行VME總線設(shè)計(jì)。Tsil48的信號(hào)可以分為PCI/X接口信號(hào)和VME接口信號(hào)。PCI/X接口信號(hào)連接系統(tǒng)PCI，X總線，占用PCI總線的PCI_REQ1，PCI_GNTl；VME接口信號(hào)通過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(shè)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(shè)計(jì)。BCM5461與Tsi109的連接使用千兆比特介質(zhì)無關(guān)接口(GMⅡ)協(xié)議，與RJ45接口的連接通過隔離變壓器。 串口是系統(tǒng)調(diào)試中一個(gè)方便接口。Tundra公司把串口集成到Tsi109中，簡化了系統(tǒng)串口設(shè)計(jì)。串口的電路設(shè)計(jì)較為簡單，使用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAx3222連接Rs232連接器。 2．5 系統(tǒng)時(shí)鐘和電源設(shè)計(jì) 系統(tǒng)使用一個(gè)33MHz的晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘源，接入Tsi109的輸入管腳CG_REF．經(jīng)過內(nèi)部倍頻、緩沖，生成處理器接口、DDR2內(nèi)存接口、PCI/X接口及Tsi109內(nèi)部所需的時(shí)鐘信號(hào)。處理器接口和DDR2內(nèi)存接口的倍頻因子可以通過CC_PB_SELECT[0．．2]和CG_SD_SELECT[0．．2]進(jìn)行配置。 電源設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的組成部分，電源的穩(wěn)定性將影響到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)中電壓值較多，多電壓器件對(duì)加電時(shí)序也有一定要求。本文通過兩個(gè)相互聯(lián)系的步驟進(jìn)行電源設(shè)計(jì)：(1)分析系統(tǒng)所需電壓值，進(jìn)行電壓值的最大功耗統(tǒng)計(jì)，然后進(jìn)行電源芯片的選型和電路設(shè)計(jì)；(2)分析多電壓芯片的時(shí)序要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的加電時(shí)序，然后對(duì)分立電源添加控制．組成完整的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)為MPC7448內(nèi)核選用TI公司的電源模塊PTH03030。其余電壓使用電源芯片構(gòu)建；使用ADM1085進(jìn)行時(shí)序控制。 3 系統(tǒng)軟件開發(fā) SMP系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)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(tǒng)有Linux、QNX、eCos等．另一個(gè)重要操作系統(tǒng)VxWorks在新版本6．6中加入了對(duì)SMP支持。本文使用Linux操作系統(tǒng)。 進(jìn)行嵌入式開發(fā)，首先要建立交叉開發(fā)環(huán)境。可以下載最新內(nèi)核源碼包及工具鏈包，自行構(gòu)建、配置開發(fā)環(huán)境。本文選擇使用ELDK開發(fā)套件。 3．1 U-Boot的移植 U—Boot是一個(gè)開放源代碼的固件程序。它起源于PPCBoot，基于PowerPc處理器編寫。目前能夠支持PowerPC、ARM、x86、MIPs等多種處理器，支持上百種系統(tǒng)平臺(tái)，能夠引導(dǎo)Linux、NetBSD、vxworks等多種操作系統(tǒng)。本文使用U—Boot構(gòu)建系統(tǒng)的啟動(dòng)程序。 PowerPC體系結(jié)構(gòu)的I/O尋址采用內(nèi)存映射方式，即內(nèi)存地址和I/O地址統(tǒng)一編碼，在進(jìn)行代碼移植前，需要首先確定系統(tǒng)的地址映射關(guān)系，本系統(tǒng)地址映射見表(1)。u—Boot的移植可以通過以下步驟進(jìn)行：(1)搜索u—Boot源碼，找到一個(gè)和目標(biāo)板最為接近的參考平臺(tái)mpc7448hpc2；在board目錄下創(chuàng)建目標(biāo)板目錄smp7448，復(fù)制參考平臺(tái)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(fù)制并創(chuàng)建目標(biāo)板頭文件smp7448．h；在頂層目錄Makefile文件內(nèi)添加目標(biāo)板定義。(2)根據(jù)地址映射表修改目標(biāo)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(biāo)板源代碼，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行必要的修改和調(diào)整。(3)編譯、下載和調(diào)試，直至順利啟動(dòng)，能夠進(jìn)入命令狀態(tài)。 表1 系統(tǒng)地址映射表
上述是單處理器的U-Boot移植，在SMP系統(tǒng)下稍有不同。大多數(shù)SMP系統(tǒng)的啟動(dòng)過程都由一個(gè)處理器來完成。其它處理器處于待命狀態(tài)。在PowerPc平臺(tái)規(guī)范中，負(fù)責(zé)啟動(dòng)的處理器稱作主處理器．其余為從處理器。對(duì)SMP系統(tǒng)的U—Boot移植，需要在單處理器初始化代碼的開始部分添加一個(gè)基于處理器識(shí)別的分支處理代碼，讓主處理器正常執(zhí)行，從處理器直接跳轉(zhuǎn)某地址(linux下為一secondary_hold)。需要說明的是。這里的“主”、“從”概念只在系統(tǒng)初始化階段有意義，操作系統(tǒng)初始化完畢后處理器之間完全對(duì)稱。 3．2 Linux的移植 LinⅡ操作系統(tǒng)是一個(gè)基于CPL版權(quán)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(tái)，另一方面。Linux已經(jīng)在嵌入式系統(tǒng)．PC系統(tǒng)、服務(wù)器等場合得到廣泛應(yīng)用。自2.0版本開始提供對(duì)SMP支持，2．2版本添加PowerPc平臺(tái)上SMP支持，直至在2．6版本中做了重大改進(jìn)，包括復(fù)雜度為調(diào)度算法、獨(dú)立的運(yùn)行隊(duì)列、基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占、SMP負(fù)載平衡等，Linux才更好地支持了SMP系統(tǒng)。 Linux源碼分為體系無關(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(tái)相關(guān)。移植工作主要在平臺(tái)相關(guān)代碼部分。Linux移植可以通過以下步驟進(jìn)行：(1)查找和目標(biāo)平臺(tái)相似的參考平臺(tái)，在arch/powerpc/platforms 目錄下創(chuàng)建目標(biāo)板目錄(本文目標(biāo)板使用原有的platforms/embedded6xx目錄)． 添加目標(biāo)板配置源文件和頭文件，在該目錄Makefile文件和內(nèi)核配置文件Kconfig里添加目標(biāo)板信息；在頂層Makefile文件內(nèi)設(shè)置目標(biāo)板編譯參數(shù)：ARCH=powerpc及CR0SS_COMPILE=ppc_74xx-；(2)進(jìn)行目標(biāo)板平臺(tái)代碼的修改；添加必要的驅(qū)動(dòng)程序；(3)配置目標(biāo)板：make menuconfig；編譯生成內(nèi)核鏡像： make；制作根文件系統(tǒng)；(4)在u-Boot啟動(dòng)完畢后，使用tftp下載Linux內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)，運(yùn)行Linux。 u-Boot及Linux移植成功后，即可進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。 4 結(jié)束語 本文介紹了一個(gè)基于PowerPc的嵌入式SMP系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，分析和設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PowerPC的SMP系統(tǒng)。并介紹了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)。本文可為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。 作者：李相國，楊樹元 來源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與soc)2009年第5-2期 |
