基于PowerPC7447A处理器的通用处理模块设计

高　毅　韩振国

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710015）

基于PowerPC7447A处理器的通用处理模块设计

高毅韩振国

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710015）

随着嵌入式系统的综合化、智能化发展，系统对数据处理能力的要求也越来越高。文章介绍了一种基于高性能处理器PowerPC7447的通用处理模块的设计和实现，并对部分功能单元的设计进行了详细描述。该模块具有处理能力强、功能扩展性强、通用性强、集成度高等特点，具有较高的应用价值，目前该模块已经应用于多种嵌入式电子设备中。

处理器；功耗；热设计

大量的数据处理需求，需要高性能的处理器来完成相关的任务；高性能的处理器又导致了功耗的攀升；系统体积和重量的减少又导致器件密度越来越大，对功耗控制和热设计提出了新的挑战。本文主要介绍一款基于PowerPC7447A 处理器的高性能高集成度的通用处理模块的设计，它采用通用化设计思想、可配置性的设计，可用于多种嵌入式系统。

1　系统概述

本文所描述的通用处理模块是基于PowerPC7447A高性能处理器，设计采用一片PowerPC7447A、一片Tsi109桥接器，周边配置有存储器（包括DDR2、Flash 和NvRAM）、看门狗、LBE总线、离散量接口、422接口和调试接口等资源。模块结构图如图1所示。

图1　通用处理模块结构框图

模块的结构采用3/4ATR结构，散热方式为传导散热，通过模块的锁紧条传导到机箱进行散热。

2　模块平台介绍

2.1PowerPC7447A处理器介绍

PC7447A属于PowerPC的处理器，其体积小巧、功能强大、低功耗、性价比高，广泛应用于嵌入式数据处理与信号处理系统中。一片PC7447A提供1个e600内核；总线频率可调；接口电压可调；核心电压可调，核心电压为1.3V时，最大功耗18W，主频可达1.33GHz，核心电压1.1V时，最高功耗8W，主频可达1GHz；4GB直接寻址空间；64数据位，36地址位总线接口；提供512KB的高带宽、低延迟的L2 cache，是一款高性能处理器。

PowerPC7447A 集成如下功能块：

· 高性能、超标量处理器；

· 11个独立的执行单元和3组寄存器类；

· 32kbytes 指令Cache和32kbytes数据Cache；

· 内部集成512Kbytes 的L2Cache；

· 32位或36位地址线；

· 64位数据线；

· 整型数据类型有8，16，和32位；

· 浮点数据类型有32和64位；

· 功耗和热管理单元；

· 测试调试接口。

2.2处理器桥简介

处理器桥接器采用PC109，提供PowerPC74XX系列处理器到PCI总线的接口，PC109提供功能有：一个高性能的存储器控制器，两处理器的支持，两通道DMA控制器，一个中断控制器，一路消息控制器，一路I2C接口，一个时钟锁相环电路等。

PC109主要特性如下：

· 存储器接口：64位数据宽度，频率最高200MHz；支持DDR2-400 SDRAM；

· 处理器接口：处理器总线时钟可达200MHz；支持双处理器；支持PowerPC74XX处理器；支持存储器一致性；64位数据宽度，32/26位地址；支持60X总线和MPX总线；

· PCI/X接口：32/64位PCI接口，操作频率可达66MHz或配置为32/64位PCI-X接口，操作频率可达133MHz；3.3V PCI接口；提供多达7个PCI设备的仲裁电路；校验支持；

· 其它特性：2通道DMA控制器；消息管理单元；I²C控制器；可编程中断控制器；集成PCI，DDR2 SDRAM时钟产生；内部集成以太网接口，串行接口等；

· HLP（host local port）接口：4个片选，每片选最大256MB；8，16，32位数据宽度可选。

· PC109桥接器处理器接口电压为1.8V，DDR2-400 SDRAM的接口电压为1.8V，核心电压为1.2V，其他接口电压为3.3V。

2.3其他资源设计

通用处理模块的存储器包括DDR2存储器、Flash 存储器和NvRAM 存储器。PC109 对外提供DDR2 接口和HLP 总线接口。DDR2 接口外接72 位（含8位校验位）数据宽度的1 Gbyte的DDR2 SDRAM；支持SDRAM校验，ECC校验。DDR2 SDRAM时钟频率设计为200MHz。HLP接口挂接16位128Mbyte的应用FLASH、BOOT FLAH和512Kbyte的NVSRAM。

模块对外提供百兆以太网接口、232调试接口、RTC日历时钟，以上功能都采用PC109自带接口实现。

采用FPGA实现看门狗功能、将HLP总线转化为LBE总线、实现10路422接口。

3　设计要点

3.1处理器主频选择

PowerPC7447A处理器主频从600MHz到1.33GHz可调，PLL配置对应的CPU模块和VCO的操作频率，PLL的配置时钟对应关系见表1。根据系统要求的处理效率和系统可接受的功耗选取合适的主频。本模块整体功耗需要控制在13W以下，系统要求处理器主频达600MHz、处理能力达到1300MIPS以上。据此，挑选处理器主频配置为650MHz，处理能力达1386MIPS。时钟配置方式如图2。

图2　处理器主频配置图

选用33MHz时钟输入PC109，将PC109的配置管脚CG_PB_CLK（0-2）配置为“011”即处理器总线时钟配置为100MHz；将100MHz总线时钟输入处理器PC7447A，并将处理器配置管脚PLL_CFG（0-4）配置为“01010”实现处理器主频650MHz配置。

表1　PC7447A处理器PLL配置表（局部）

3.2电源设计

通用处理模块输入电源为+5V，处理器PC7447A核心电压为1.1V，接口电压为1.8V，处理器桥接器PC109核心电压为1.2V，接口电压为1.8V，DDR2 SDRAM的接口电压为1.8V，以太网PHY工作电压为2.5V，其他器件接口电压为3.3V，电压使用情况见表2。

表2　芯片电压使用情况表

处理器PC7447A，PC109，DDR2 SDRAM等供电电源上电时有严格的上电要求，上电顺序要求如图3所示。设计采用上电时间可控的芯片LTM4616，实现电压1.1V，1.2V，1.8V_PB，3.3V的转换。通过对该芯片电源输出控制端设计一RC电路对上电进行控制，即该电源输出控制端上拉电阻到VCC，下接电容到地，电容越小上电越快，电阻越大上电越慢，通过不同电容、电阻的组合来控制几档电源的上电序列。采用TPS51116PWP实现3.3V转1.8V_SD；采用TPS74401实现输出2.5V线性电源。

图3　上电顺序

3.3热设计

通用处理模块作为一款高性能处理模块，功耗高、散热难一直都是制约其应用的瓶颈，为了进一步评估模块在高温环境条件工作时的温度分布情况，确定模块设计是否能够在极端环境下正常工作，对其进行了热仿真分析。

通用处理模块结构主要由印制板、冷板、导热垫组成。印制板上主要发热器件布置在冷板一侧，通过导热垫将热量传递至冷板。模块装进机箱时，冷板与机箱后壁紧贴，以利于热量传递至机箱，如图4所示。

图4　通用处理模块和机箱结构件示意图

CPU模块印制板上相应器件的发热功耗及参数如表3所示。由表可知，CPU模块总功耗约12.5W。根据实际机箱的安装环境及协议要求，机箱所处环境温度假定为70℃，散热方式为自然散热。

表3　主要器件参数

仿真结果如图5所示，从左到右分别为机箱环境温度场分布图，机箱温度场分布图，印制板温度场分布图。

图5　通用处理模块温度场分布图

由于仿真对机箱进行了简化，未考虑机箱散热翅片等散热结构，且未考虑机箱通过传导散热，仿真结果偏保守。

由结果可知，模块上最高温度为101℃。处理器与电源转换芯片温度最高，为101℃，其它器件温度均在85℃以下。

处理器与电源转换芯片节温为125℃，仿真结果器件温度在许用温度范围内；其它主要器件节温为85℃，仿真结果模块可以在70℃正常工作。

4　小结

本文结合高性能的PowerPC7447A处理器的特征，设计了一款通用处理模块，对外提供422和LBE两种接口、RS232调试接口、离散量接口以及处理器的调试接口，适用于多种电子设备。对通用处理模块进行了热仿真分析，该模块能适应大多数嵌入式系统应用环境，具有很大的应用价值。

［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，中国航空计算技术研究所工程师，硕士，研究方向为高性能数据信号处理技术。