一种高集成度基于PCI总线的AM80486 CPU设计与实现

0 引言
    在设备更新换代时，对现有设备进行合理的升级，不仅能提升设备的性能，同时还可以延长设备寿命，降低全寿命周期的费用，同时升级后的设备在使用维护上还具有良好的继承性。
    80486处理器虽然已问世十多年，但在各个领域，尤其是机载航电系统中仍有大量应用。目前使用80486处理器的大多数模块，普遍存在系统集成度偏低、总线传输速率较慢的缺点。针对这一问题，本文结合某计算机系统CPU模块的升级，提出一种解决方案，该方案采用PCI总线提升系统性能，同时将部分功能单元以IP核(InteUectual Property Core)的形式集成到FPGA中，实现了小型化设计(CPU模块采用PMC标准板卡外形及安装方式)。

1 典型采用80486处理器的模块结构
    图1为一种典型的采用80486处理器的模块(以下简称典型80486模块)结构图。该模块采用标准的1／2ATR外形尺寸，系统总线采用LBE(Local Bus Extension)总线，最大传输速率约40Mb／s，模块重量约380g，功耗约5W(5V，1A)。

2 小型化80486 CPU模块设计
    小型化80486CPU模块(以下简称CPU模块)由处理器、FLASH、SRAM、NVRAM、可编程逻辑、看门狗、时钟、PCI接口电路、RS232串行接口电路、DC／DC电路和隔离电路组成，系统结构图如图2所示。

    CPU模块与典型80486模块的系统结构差异对比见表1。

2．1 硬件设计
2．1．1 处理器及存储器电路
    CPU模块的处理器及存储器配置如下；a．处理器采用AMD公司的AM80486DX2处理器，外部输入时钟33MHz，内部工作频率66MHz，芯片工作在保护模式下，最大寻址空间为4GB；b．FLASH 4MB，SRAM 1MB，NVRAM 32KB。
2．1．2 外围工作电路
    外围工作电路主要包括复位及看门狗电路、离散量接口电路、RS232接口电路和DC／DC电路，具体配置如下：a．复位及看门狗电路，采用MAX706芯片实现，看门狗周期1s；b．离散量接口电路，3路输入TTL离散量；c．RS232接口电路，采用MAX232AESE芯片实现2路RS232接口；d．DC／DC电路，采用2个LT1085芯片实现5V／2．5V和5W3．3V的电源转换。
2．1．3 PCI接口电路
    CPU模块的系统总线采用PCI总线，PCI总线宽度为32位(地址／数据复用)，总线工作时钟33MHz，最大传输速度可达132Mb／s。CPU模块采用PCI9056芯片作为PCI总线接口，主从选择为Host方式，工作模式为C模式。由于AM80486处理器应用年代较早，无法直接与PCI接口芯片连接，因此CPU模块采用可编程逻辑连接AM80486局部总线和PCI9056。
    AM80486与PCI9056的交联如图3所示。AM80486的地址和数据可直接与PCI9056相连。针对控制信号，在本系统中，CPU模块是PCI总线上唯一的主设备，在访问PCI总线时，需对图3中的控制信号进行逻辑综合。

2．1．4 可编程逻辑电路
    可编程逻辑电路是系统控制器设计中的重点。由于模块的小型化要求，CPU模块在设计可编程逻辑时将部分功能单元以IP核的形式集成到FPGA中，以提高系统集成度。[page]
    CPU模块的可编程逻辑采用采用一片XCV300芯片来实现，除了地址译码、逻辑控制、时序控制、总线超时以及PCI控制逻辑等功能外，还使用IP核完成中断控制器、定时／计数器和串行协议转换功能。可编程逻辑电路的功能示意图如图4。

2．1．4．1 中断控制器
    可编程逻辑采用IP核实现一个具有1路非屏蔽中断和16路可屏蔽中断的中断控制器功能。中断的触发方式(电平触发／沿触发)和16路可屏蔽中断的优先级软件可调。系统控制器在实现时使用了1路非屏蔽中断和11路可屏蔽中断，剩余资源可根据用户需求使用。
2．1．4．2 定时／计数器
    可编程逻辑采用IP核实现一个3路独立的8位定时／计数器功能，其工作模式与MD8254的MODE2方式相同，每路定时器的输出使能和计数频率软件可调。系统控制器在实现时使用了两路定时器供操作系统使用，剩余的1路留可根据用户需求使用。
2．1．4．3 串行协议控制
    可编程逻辑采用IP核实现2路RS232串行协议控制，用户可以通过软件对串行接口的工作方式(查询／中断)、串行数据的格式(数据位／起始位／停止位／奇偶校验等)和串行通信速率(9600-119200bps可调，默认38400bps)等参数进行设置。

2．2 软件设计
    CPU模块使用VxWorks5．5操作系统，软件开发环境为Tornado 2．2。VxWorks操作系统具有实时性、可靠性、可剪裁性、支持众多的目标机、系统的开放性、丰富的环境工具和第三方支持等特点。VxWorks操作系统功能结构如图5所示。

    CPU膜块的软件包括以下内容：a．FLASH编程工具；b．BIT测试程序；c．Vxworks操作系统：d．驱动程序；e．应用程序。

3 结束语
    小型化的CPU模块，已成功应用在升级后的系统中，取得了良好的成效。除了总线传输速度提高(PCI总线最大传输速度可达132Mb／s)、使系统性能得到提升外，还具有以下特点：
    (1)安装方式灵活，节约系统资源。CPU模块采用PMC板卡形式，占用空间小(面积下降33％)，可以方便地安装在其它模块上，同时与典型的80486模块相比，重量下降70％、功耗下降15％，节约了系统资源。
    (2)配置灵活，升级潜力大。CPU模块在本设计中作为PCI总线控制器(Host)使用，但是只要更改PCI9056的配置，并且对可编程逻辑做相应更改，即可作为PCI总线的主设备(Master)和从设备(Slave)使用。由于采用了SoPC技术进行可编程逻辑设计，CPU模块上还有可利用的空间进行功能扩展(例如增加I2C电路和网络接口)，同时只要提高处理器和PCI接口的工作频率，即可进一步提高CPU模块的性能。
    (3)通用性强，应用前景广泛。由于采用了标准的PCI接口和PMC外形，CPU模块可以方便地配置在一个PCI总线系统中，并且具有可灵活配置的工作方式(Host／Master／Slave)。同时为现有采用80486处理器计算机系统的升级，提供了可借鉴的模型，具有广泛的应用前景。