摘 要：介紹了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)多媒體的應(yīng)用前景、基于PowerPC 內(nèi)核的嵌入式控制器芯片MPC823e, 及一種開發(fā)MPC823e多媒體功能的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng), MPC23e, 硬件開發(fā)平臺(tái) 1. 引言 　　嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)是21世紀(jì)兩個(gè)重要發(fā)展方向之一，嵌入式計(jì)算機(jī)可應(yīng)用到消費(fèi)電子（手機(jī)，PDA，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)字電視及IP Phone等），信息家電類產(chǎn)品，通信設(shè)備（路由器，交換機(jī)，放火墻，VPN等），工業(yè)控制及軍用電子等領(lǐng)域。據(jù)估計(jì)，未來十年中有95%的微處理器和65%的軟件被應(yīng)用于各種嵌入式電子設(shè)備中，支持日趨增長(zhǎng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應(yīng)用和多媒體的信息處理。本論文所描述的基于MPC823e 嵌入式多媒體信息終端的硬件平臺(tái)，具有豐富的外圍接口和多媒體功能，實(shí)現(xiàn)了電話業(yè)務(wù)、寬帶上網(wǎng)、電子郵件收發(fā)、電子支付、廣播廣告、城市生活服務(wù)等功能。 2. MPC823e簡(jiǎn)介 　　PowerPC823e是Motorola公司的PowerQUICC系列嵌入式通信處理器中的一種，以精簡(jiǎn)指令集RISC的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集成了32位微處理器和多種外設(shè)接口，具有強(qiáng)大的通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力，廣泛應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。功能結(jié)構(gòu)主要包括：嵌入式PowerPC內(nèi)核，系統(tǒng)接口單元（System Interface Unit，SIU），通信處理模塊（Communications Processor Module，CPM）和LCD控制器單元。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 MPC823e體系結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　從圖中可以看出, 通信處理器模塊CPM 支持7個(gè)串行信道, 包括: 2 個(gè)串行通信控制器SCC, 2 個(gè)串行管理控制器SMC, 1 個(gè)USB 接口, 1 個(gè)I2C ，1 個(gè)串行外設(shè)接口SPI和一個(gè)LCD控制接口。因此,MPC823e 通過靈活的編程方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)Ethernet、USB、T1/E1 等的支持, 以及對(duì)IEEE802. 3/Ethern2et、UART （ 同步/異步）、HDLC、等多種通信模式協(xié)議的支持。 　　另外, MPC823e 還具有增強(qiáng)型在片仿真調(diào)試功能, 功能齊全的接口單元, 可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)編程的中斷控制等特征。本系統(tǒng)正是基于MPC23e 的這些特點(diǎn)來進(jìn)行多媒體開發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)的。 3. 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 　　設(shè)計(jì)MPC823e 多功能多媒體開發(fā)平臺(tái)的底層, 在硬件方面需要提供全面的通信接口、足夠的內(nèi)存容量、調(diào)試功能以及測(cè)試顯示功能。根據(jù)設(shè)計(jì), 本系統(tǒng)主要由主機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口電路組成。主機(jī)部分的設(shè)計(jì)主要包括了系統(tǒng)電源、PLL電源電路、時(shí)鐘電路、軟硬件復(fù)位電路和上電復(fù)位電路、MPC823e總線信號(hào)分配與定義等，為增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力，特選用芯片74LVC245增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力。 　　存儲(chǔ)系統(tǒng)部分用什么樣的存儲(chǔ)器取決于微處理器的支持。PowerPC系列基本上的存儲(chǔ)器如EDO、EPROM、FLASH、SDRAM、SPAM等都支持。容量的大小主要取決于內(nèi)核映像、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序的大小。 　　通信接口部分電路包括：人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口，提供了1個(gè)Ethernet 接口、1個(gè)RS232 接口、1個(gè)USB 接口、1個(gè)I2C接口、一個(gè)800x600的液晶顯示器（LCD）接口。同時(shí)，根據(jù)這款多媒體信息終端產(chǎn)品的特點(diǎn)，為了與網(wǎng)絡(luò)管理中心和安全模塊的通信和實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，擴(kuò)展了一塊串口芯片ST16C552，ST16C552正好有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口RS232，同時(shí)通過MPC823e的PCMCIA接口（IP_B0～I(xiàn)P_B7）和ST16C552的打印機(jī)并口，利用行列掃描鍵盤的原理實(shí)現(xiàn)了鍵盤功能，最多可以實(shí)現(xiàn)8x12個(gè)鍵符，多少取決于你需要的鍵符個(gè)數(shù)而定。 　　串口芯片ST16C552及與MPC823e的連接圖如下： [align=center] 圖2 ST16C552及MPC823e的連接圖[/align] 　　另外, MPC823e還提供了BDM調(diào)試口以及測(cè)試口、可以從MPC823e的引腳SPKROUT（B7）接揚(yáng)聲器的接口等。 　　最后，在設(shè)計(jì)中省去了CPLD電路部分，CPLD電路是一個(gè)集中將板上電路的一些邏輯關(guān)系可編程設(shè)置的一種實(shí)現(xiàn)方法。作用就是一些目標(biāo)板所需的脈沖信號(hào)和電路邏輯，其功能完全可以用一些邏輯電路與MPC823e口線來實(shí)現(xiàn)。 4. 系統(tǒng)的硬件啟動(dòng)與復(fù)位 　　MPC823e 的復(fù)位方式包括: 上電復(fù)位、外部/內(nèi)部Hard Reset、外部/內(nèi)部Soft Reset等。這些方式都由Reset 控制器處理。本系統(tǒng)采用了上電復(fù)位、外部Hard Reset和外部Soft Reset 的方式。由芯片內(nèi)部完成, M PC823e需要確認(rèn)PORESET 信號(hào), 然后對(duì)MODCK〔1- 2〕引腳信號(hào)進(jìn)行采樣，在設(shè)計(jì)中，把MODCK〔1- 2〕引腳通過一個(gè)上拉電阻接至高電平，這樣產(chǎn)生的5倍的倍頻系數(shù), 直到所有的內(nèi)部PLL （Phase2Locked Loop ） 進(jìn)入鎖定狀態(tài), 激活 　　系統(tǒng)時(shí)鐘, 最后,PORESET 恢復(fù)為高電平。MPC823e 結(jié)束上電復(fù)位狀態(tài)后,鎖定內(nèi)部所有PLL , PowerPC 內(nèi)核持續(xù)驅(qū)動(dòng)HRESET 和SRESET 信號(hào), 然后從數(shù)據(jù)總線上采樣系統(tǒng)配置信息。Core 在HRESET 有效時(shí), 也將聲明SRESET 信號(hào)有效。MPC823e 在處理完畢所有的啟動(dòng)或復(fù)位過程后進(jìn)入正常的系統(tǒng)軟件初始化狀態(tài), 運(yùn)行上層程序。MPC823e在從數(shù)據(jù)總線上采樣硬件復(fù)位配置字信息的過程中, RSTCONF信號(hào)必須低電平有效; 如果RSTCONF 為高電平, 系統(tǒng)就以內(nèi)部的默認(rèn)值作為硬件復(fù)位配置字。當(dāng)PORESET 處于有效期間,Core 以默認(rèn)值0x000000000 作為配置字。筆者開發(fā)板設(shè)計(jì)中采用了后一種方法，即RSTCONF 為高電平。 5. 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　MPC823e中存儲(chǔ)器管理器負(fù)責(zé)控制管理GPCM 和UPMA（B） 兩種存儲(chǔ)器控制機(jī)制, 針對(duì)不同的存儲(chǔ)器提供靈活的時(shí)序支持和無縫連接。其中, GPCM 提供了一種簡(jiǎn)單的、不支持突發(fā)方式的低層次的存儲(chǔ)器資源和內(nèi)存映射接口, 因此, GPCM 控制的內(nèi)存槽主要用于系統(tǒng)的啟動(dòng)和不支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)存取。外接的串口芯片ST16C552也是采用了GPCM控制機(jī)制。 　　而UPM方式支持突發(fā)方式, 同時(shí)包括外部總線的地址復(fù)用、周期定時(shí)以及DRAM 器件可編程的行列地址選通信號(hào)的產(chǎn)生, 因此,UPM 多用于支持高性能的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器。在本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中, 采用了4片Intel 公司的FLASH E28F128J3A,系統(tǒng)容量為4x16M模式。4片Intel公司的SDRAM MT48LC32M16A2TG，系統(tǒng)容量為128M。其中, BANK0用于FLASH , 對(duì)應(yīng)于CS0片選信號(hào), 內(nèi)存管理機(jī)制選擇GPCM , 數(shù)據(jù)總線寬度為8x4bit; SDRAM用了兩個(gè)BANK，用了CS1，CS2兩個(gè)片選信號(hào)（圖3中示意了CS1），內(nèi)存管理機(jī)制選擇UPMB , 數(shù)據(jù)總線寬度為32bit。 　　FLASH用來存放BSP（Board Support Package）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序。對(duì)BYTE# （Byte Enable） 管腳的設(shè)置, 可以使Flash工作在x8或x16 模式。 　　SDRAM 的讀寫以及突發(fā)模式的時(shí)序控制通過對(duì)MPC823e GPL〔0∶3〕編程來實(shí)現(xiàn), 時(shí)鐘由MPC823e的 CL KOU T 信號(hào)提供。MPC823e 的字節(jié)選通信號(hào)BS〔0∶3〕連接SDRAM 的U（L）DQM 管腳用來選擇字節(jié)通道。 　　圖3 是有關(guān)內(nèi)存的硬件設(shè)計(jì)示意圖。對(duì)于可能存在的用戶卡上的其他外部存儲(chǔ)器, 本系統(tǒng)預(yù)留了若干片選信號(hào)。 [align=center] 圖3 內(nèi)存硬件設(shè)計(jì)圖[/align] 6. 各種通信接口的硬件設(shè)計(jì) 　　MPC823e的通信處理器模塊CPM為多種通信環(huán)境提供了一個(gè)靈活、完整的解決方法。為降低系統(tǒng)頻率和節(jié)省功率, CPM擁有獨(dú)立的R ISC 通信處理器CP, 以優(yōu)化各種串行通信。CP為若干集成的通信信道提供服務(wù), 執(zhí)行底層協(xié)議處理和控制DMA。 　　CPM 通過以下途徑減少core 的計(jì)算任務(wù), 包括: 減少中斷產(chǎn)生率; 執(zhí)行一些OSI 第2 層處理; 支持多緩存存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。 　　在CPM功能基礎(chǔ)上, 外圍通信電路只需提供物理層收發(fā)器和驅(qū)動(dòng)器。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,Ethernet 收發(fā)器采用Intel Level One 公司的LXT905;RS232收發(fā)器采用MAXIM公司的MAX3225ECAP;USB 收發(fā)器采用Philips 公司的PD IUSBP11A。其中Ethernet 收發(fā)器使用MPC823e的SCC2;RS232 收發(fā)器使用MPC823e的SMC1;USB收發(fā)器使用與MPC823e的USB 接口。 　　由于LXT905 本身提供了與MPC823e 的無縫接口能力,于是通過RJ45 實(shí)現(xiàn)與外界的通信主要集中在協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)收發(fā)的控制上。其數(shù)據(jù)接口信號(hào)包括: 　　● RCLK 與TCLK: 接收與發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。由LXT905 提供, 連接到MPC823e 的時(shí)鐘信號(hào)CLKx。 　　● RXD與TXD: 接收與發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。由MPC823e 提供, 連接到LXT905 的RXD與TXD。 　　● TEN: 發(fā)送使能信號(hào), 同時(shí)啟動(dòng)LXT905看門狗定時(shí)器。 　　● CD: 載波監(jiān)聽信號(hào), 監(jiān)聽LAN 是否正在使用。 　　● COL : 沖突監(jiān)測(cè)信號(hào), 驅(qū)動(dòng)控制器的沖突監(jiān)測(cè)輸入。 　　多媒體系統(tǒng)的外部接口圖如圖4所示： [align=center] 圖4 多媒體系統(tǒng)的外部接口圖[/align] 　　關(guān)于硬件的調(diào)試與測(cè)試部分的敘述這里從略。 7 結(jié)論 　　MPC823e 的多媒體硬件開發(fā)平臺(tái)在底層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 選擇相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng), 再進(jìn)行相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā), 通過所需接口與各自的開發(fā)系統(tǒng)相連, 最終可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種通信與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 鄒思軼 主編 嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社， 2002年 　　[2] Motorola Inc. . M PC823e Integrated Communications Microprocessor User’s Manual. Motorola Inc. , 2000