关键词：嵌入式系统, MPC23e, 硬件开发平台
1. 引言
嵌入式计算机技术是21世纪两个重要发展方向之一，嵌入式计算机可应用到消费电子（手机，PDA，数码相机，数字电视及IP Phone等），信息家电类产品，通信设备（路由器，交换机，放火墙，VPN等），工业控制及军用电子等领域。据估计，未来十年中有95%的微处理器和65%的软件被应用于各种嵌入式电子设备中，支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。本论文所描述的基于MPC823e 嵌入式多媒体信息终端的硬件平台，具有丰富的外围接口和多媒体功能，实现了电话业务、宽带上网、电子邮件收发、电子支付、广播广告、城市生活服务等功能。
2. MPC823e简介
PowerPC823e是Motorola公司的PowerQUICC系列嵌入式通信处理器中的一种，以精简指令集RISC的体系结构为基础，集成了32位微处理器和多种外设接口，具有强大的通信和网络协议处理能力，广泛应用于多媒体和网络产品。功能结构主要包括：嵌入式PowerPC内核，系统接口单元（System Interface Unit，SIU），通信处理模块（Communications Processor Module，CPM）和LCD控制器单元。其系统结构框图如图1所示。
图1 MPC823e体系结构框图
从图中可以看出, 通信处理器模块CPM 支持7个串行信道, 包括: 2 个串行通信控制器SCC, 2 个串行管理控制器SMC, 1 个USB 接口, 1 个I2C ，1 个串行外设接口SPI和一个LCD控制接口。因此,MPC823e 通过灵活的编程方式可实现对Ethernet、USB、T1/E1 等的支持, 以及对IEEE802. 3/Ethern2et、UART （ 同步/异步）、HDLC、等多种通信模式协议的支持。
另外, MPC823e 还具有增强型在片仿真调试功能, 功能齐全的接口单元, 可进行优先级编程的中断控制等特征。本系统正是基于MPC23e 的这些特点来进行多媒体开发平台的硬件设计的。
3. 系统硬件总体设计
设计MPC823e 多功能多媒体开发平台的底层, 在硬件方面需要提供全面的通信接口、足够的内存容量、调试功能以及测试显示功能。根据设计, 本系统主要由主机系统、存储系统、人-机接口和机-机接口电路组成。主机部分的设计主要包括了系统电源、PLL电源电路、时钟电路、软硬件复位电路和上电复位电路、MPC823e总线信号分配与定义等，为增强总线驱动能力，特选用芯片74LVC245增强总线驱动能力。
存储系统部分用什么样的存储器取决于微处理器的支持。PowerPC系列基本上的存储器如EDO、EPROM、FLASH、SDRAM、SPAM等都支持。容量的大小主要取决于内核映像、文件系统、用户应用程序的大小。
通信接口部分电路包括：人-机接口和机-机接口，提供了1个Ethernet 接口、1个RS232 接口、1个USB 接口、1个I2C接口、一个800x600的液晶显示器（LCD）接口。同时，根据这款多媒体信息终端产品的特点，为了与网络管理中心和安全模块的通信和实现键盘功能，扩展了一块串口芯片ST16C552，ST16C552正好有两个标准的串口RS232，同时通过MPC823e的PCMCIA接口（IP_B0～IP_B7）和ST16C552的打印机并口，利用行列扫描键盘的原理实现了键盘功能，最多可以实现8x12个键符，多少取决于你需要的键符个数而定。
串口芯片ST16C552及与MPC823e的连接图如下：
图2 ST16C552及MPC823e的连接图
另外, MPC823e还提供了BDM调试口以及测试口、可以从MPC823e的引脚SPKROUT（B7）接扬声器的接口等。
最后，在设计中省去了CPLD电路部分，CPLD电路是一个集中将板上电路的一些逻辑关系可编程设置的一种实现方法。作用就是一些目标板所需的脉冲信号和电路逻辑，其功能完全可以用一些逻辑电路与MPC823e口线来实现。
4. 系统的硬件启动与复位
MPC823e 的复位方式包括: 上电复位、外部/内部Hard Reset、外部/内部Soft Reset等。这些方式都由Reset 控制器处理。本系统采用了上电复位、外部Hard Reset和外部Soft Reset 的方式。由芯片内部完成, M PC823e需要确认PORESET 信号, 然后对MODCK〔1- 2〕引脚信号进行采样，在设计中，把MODCK〔1- 2〕引脚通过一个上拉电阻接至高电平，这样产生的5倍的倍频系数, 直到所有的内部PLL （Phase2Locked Loop ） 进入锁定状态, 激活
系统时钟, 最后,PORESET 恢复为高电平。MPC823e 结束上电复位状态后,锁定内部所有PLL , PowerPC 内核持续驱动HRESET 和SRESET 信号, 然后从数据总线上采样系统配置信息。Core 在HRESET 有效时, 也将声明SRESET 信号有效。MPC823e 在处理完毕所有的启动或复位过程后进入正常的系统软件初始化状态, 运行上层程序。MPC823e在从数据总线上采样硬件复位配置字信息的过程中, RSTCONF信号必须低电平有效; 如果RSTCONF 为高电平, 系统就以内部的默认值作为硬件复位配置字。当PORESET 处于有效期间,Core 以默认值0x000000000 作为配置字。笔者开发板设计中采用了后一种方法，即RSTCONF 为高电平。
5. 存储系统设计
MPC823e中存储器管理器负责控制管理GPCM 和UPMA（B） 两种存储器控制机制, 针对不同的存储器提供灵活的时序支持和无缝连接。其中, GPCM 提供了一种简单的、不支持突发方式的低层次的存储器资源和内存映射接口, 因此, GPCM 控制的内存槽主要用于系统的启动和不支持突发方式的数据存取。外接的串口芯片ST16C552也是采用了GPCM控制机制。
而UPM方式支持突发方式, 同时包括外部总线的地址复用、周期定时以及DRAM 器件可编程的行列地址选通信号的产生, 因此,UPM 多用于支持高性能的实时存储器。在本系统的存储器设计中, 采用了4片Intel 公司的FLASH E28F128J3A,系统容量为4x16M模式。4片Intel公司的SDRAM MT48LC32M16A2TG，系统容量为128M。其中, BANK0用于FLASH , 对应于CS0片选信号, 内存管理机制选择GPCM , 数据总线宽度为8x4bit; SDRAM用了两个BANK，用了CS1，CS2两个片选信号（图3中示意了CS1），内存管理机制选择UPMB , 数据总线宽度为32bit。
FLASH用来存放BSP（Board Support Package）、实时操作系统和用户应用程序。对BYTE# （Byte Enable） 管脚的设置, 可以使Flash工作在x8或x16 模式。
SDRAM 的读写以及突发模式的时序控制通过对MPC823e GPL〔0∶3〕编程来实现, 时钟由MPC823e的 CL KOU T 信号提供。MPC823e 的字节选通信号BS〔0∶3〕连接SDRAM 的U（L）DQM 管脚用来选择字节通道。
图3 是有关内存的硬件设计示意图。对于可能存在的用户卡上的其他外部存储器, 本系统预留了若干片选信号。
图3 内存硬件设计图
6. 各种通信接口的硬件设计
MPC823e的通信处理器模块CPM为多种通信环境提供了一个灵活、完整的解决方法。为降低系统频率和节省功率, CPM拥有独立的R ISC 通信处理器CP, 以优化各种串行通信。CP为若干集成的通信信道提供服务, 执行底层协议处理和控制DMA。
CPM 通过以下途径减少core 的计算任务, 包括: 减少中断产生率; 执行一些OSI 第2 层处理; 支持多缓存存储器数据结构等。
在CPM功能基础上, 外围通信电路只需提供物理层收发器和驱动器。在本系统的设计中,Ethernet 收发器采用Intel Level One 公司的LXT905;RS232收发器采用MAXIM公司的MAX3225ECAP;USB 收发器采用Philips 公司的PD IUSBP11A。其中Ethernet 收发器使用MPC823e的SCC2;RS232 收发器使用MPC823e的SMC1;USB收发器使用与MPC823e的USB 接口。
由于LXT905 本身提供了与MPC823e 的无缝接口能力,于是通过RJ45 实现与外界的通信主要集中在协议的实现和数据收发的控制上。其数据接口信号包括:
● RCLK 与TCLK: 接收与发送时钟信号。由LXT905 提供, 连接到MPC823e 的时钟信号CLKx。
● RXD与TXD: 接收与发送数据信号。由MPC823e 提供, 连接到LXT905 的RXD与TXD。
● TEN: 发送使能信号, 同时启动LXT905看门狗定时器。
● CD: 载波监听信号, 监听LAN 是否正在使用。
● COL : 冲突监测信号, 驱动控制器的冲突监测输入。
多媒体系统的外部接口图如图4所示：
图4 多媒体系统的外部接口图
关于硬件的调试与测试部分的叙述这里从略。
7 结论
MPC823e 的多媒体硬件开发平台在底层设计的基础上, 选择相应的嵌入式操作系统, 再进行相关驱动程序和上层应用程序的开发, 通过所需接口与各自的开发系统相连, 最终可设计实现各种通信与网络产品。
参考文献:
[1] 邹思轶 主编 嵌入式Linux设计与应用. 清华大学出版社， 2002年
[2] Motorola Inc. . M PC823e Integrated Communications Microprocessor User’s Manual. Motorola Inc. , 2000
