王 丽，付月生，陈思思

（中船重工集团第七二二研究所 湖北 武汉 430079）

基于VPX总线的系统主控模块的设计与实现

王 丽，付月生，陈思思

（中船重工集团第七二二研究所 湖北 武汉 430079）

VPX总线硬件平台设计主要侧重于基于VPX总线的主控系统模块的设计与研究，本文首先介绍VPX总线标准规范及当前的技术发展，然后介绍基于VPX总线系统主控模块设计原理与具体实现，主要包括主控模块的系统硬件设计和操作系统软件设计两个部分，最后是系统验证工作，对实际设计进行分析和总结。

VPX总线；PCIe；硬件平台；VxWorks

随着通信技术的不断更新，现有总线已经不能满足国防领域越来越高的性能要求和更为恶劣环境下的应用，需要一种新体制的总线，替代现有总线，以提高系统传输带宽。而新型VPX(VITA 46)标准是自从VME引入后的25年来，对于VME总线架构的最重大也是最重要的改进。它将增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。VPX总线是VME技术的自然进化，它采用高速串行总线替代并行总线是其的最主要变化。如今在接口技术上有多种高性能交换结构技术可供选择，而其中的3个：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)、PCI Express (PCIe)尤其突出，优点最多。新的总线技术，新的系统构造机制，为通信系统获得更高的性能和带宽[1]。文中首先介绍VPX总线标准规范及当前的技术发展，然后介绍基于VPX总线系统主控模块设计原理与具体实现，主要包括主控模块的系统硬件设计和操作系统软件设计两个部分。

1 高速串行VPX总线接口分析

现有成熟的系统总线PCI是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线，定义了32位数据总线，且可扩展为64位。虽然PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。然而，随着未来I/O设备对带宽要求的不断提高，PCI由于其自身的低扩展性和局限性越来越成为发展的瓶颈，不仅如此，总线上连接的设备越多，对总线的干扰也就越大，必然造成信号的不稳定，影响总线数据传输的质量。VPX总线与现有成熟的总线最显著的变化是它采用高速串行总线替代并行总线，VPX背板总线有针对性的采用差分对设计，适用于各种高速总线接口，VPX总线标准具体推荐3种高速总线接口：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)、PCI Express (PCIe)[2]。

1.1 Gigabit Ethernet (GbE)

以太网是目前最普遍的网络技术，几乎所有的网络通信的起始和重点都有以太网连接。这种商业领域广泛的应用正在影响军用市场。随着国防部对利用现有资源无缝连接到全球网络的迫切需求，1-GbE网络交换已经成为链接机箱和链接板子，组建今天高带宽IP平台网络的首选。将来的技术转向1/10Gbe网络是很自然的事情，它是一种高速网络的解决方案，足可以满足日益增长的苛刻应用需求。为了满足有效地在平台资源间传输音频，视频，控制及管理数据的需求，支持IPv4/v6的1/10 Gbe提供了统一的方法来进行标准数据传输。

1.2 Serial RapidIO (SRIO)

SRIO, 高速串行交换结构技术，它比PCI Express和以太网更适合组建大量的处理器间通信的大型多处理器系统。SRIO在建立多处理器系统时，与同类产品相比较有很多不同。SRIO为点对点通信设计，支持寻址模型，支持消息传输等方式确保高效、快速的数据传输。串行RapidIO系统可以构造任意拓扑结构，这对构建变化多端的数据流DSP系统是非常重要的。

1.3 PCI Express (PCIe)

PCIe接口普遍应用于商用桌面电脑，笔记本及服务器中。在大量PC应用中，PCIe的普及有助于降低PCIe交换芯片和PCIe外围设备的成本。尤其最近，PCIe开始移植到先进的单板计算机和数字信号处理器模块中，部署于军用及航空应用设计中。

新串行交换结构技术使得军用和航空嵌入式计算机系统得到更高的性能，同时减少系统成本和重量。如今有多种高性能交换结构技术可供选择，因为不可能有一种网络交换技术可以满足国防和航空嵌入式应用领域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分层（hierarchy）解决方案——使用GbE作为平台间网络互联，并且使用SRIO和PCIe作为底板总线交换网络互联。使用这种方式，国防和航空系统集成商可以在他们系统中应用交换结构技术。GbE，SRIO以及PCIe各有优势，如果将这些交换结构结合在一起应用于嵌入式军用系统中，将形成功一种新的强大的结构。经过应用，主要的芯片，模块大量真实评估，以及主板整体设计，VPX总线平台可以为客户提供多种网络交换的计算平台，允许用户选择最合适的网络拓扑结构来满足系统需求设计。

2 VPX总线硬件平台系统硬件设计

2.1 VPX总线硬件平台系统总线拓扑结构设计

在配置灵活性方面PCIe总线可以根据所连接的硬件设备的不同，使用不同频率同其联系通讯。在连接方式上PCIe总线可以“走出机箱”，也就是说PCIe可以如同现在的USB或者Firewire一样通过计算机上的一定接口同外部采用相应符合PCIe标准接口的设备进行连接和通讯。PCIe总线采用了点对点技术，这样每个PCIe设备都是直接同系统芯片进行交流，而不再存在带宽问题。PCIe最大的优点之一就是它的跨平台兼容性，现在的符合PCI 2.3规范的板卡将可以在低带宽的PCIe插槽上使用。综上所述，采取以PCIe总线作为VPX硬件平台系统内部主要总线，以千兆以太网为辅的设计思路是比较合适的，具体的总线拓扑结构如图1所示进行系统背板设计。

VPX总线采用的是由Tyco公司开发出模块化的VPX RT2连接器，该连接器内含可控阻抗，低插入损耗，在最高6.25 Gbaud下，串扰小于3%。Tyco公司生产的独特的新7排RT2连接器，与级联块儿和键一起，实现VITA 46模块和背板设计[3]。

图1 系统总线拓扑结构Fig1 The system bus topology diagram

2.2 系统主控模块主处理器选择

系统主控模块功能框如图2所示。本系统主控模块主处理器选择飞思卡尔公司的PowerPC8641D双核微处理器，该处理器由2个E600高性能处理器组成，采用双核设计，与单核处理器相比，使得同时独立运行2套操作系统成为可能，并具有低耗、高集成度等优点。同时该处理器采用各种新技术，例如DDR2系统内存、高速1级数据和指令缓存、高速2级缓存、64位浮点运算单元、1000M/100M/10M自适应以太网接口、RapidIO高速串行接口、PCIe高速串行接口等，满足了高端嵌入式计算机应用场合的各种需求[4]。

图2 系统主控模块功能框图Fig2 The system main control module function block diagram

2.3 PCIe接口扩展性设计

PCIe和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变，不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松的到达了其他接口设备可望而不可及的高带宽。但同时要求PCIe主控设备具备多路PCIe接口，接口的数量需要和从接口的数量一致，而处理器一般只提供1-2路PCIe接口，因此在大多数应用场合必须通过PCIe桥接芯片进行扩展[5]。在该系统设计，考虑到MPC8641D双核处理器仅具备2路×8模式的PCIe高速串行接口，必须进行PCI_E桥接芯片的扩展，为了最大限度的提供更高的数据带宽以及更加丰富、灵活的总线资源，选用PEX8648进行PCIe高速串行接口的扩展。PCIe接口的扩展形式如图2所示。

2.4 存储器

CPU板上有3种存储器，分别为SDRAM、Nor Flash、Nand Flash和EEPROM。

SDRAM存储器采用DDR2规格设计，分别与MPC86xx片上2套DDR2内存接口对接，每套DDR2内存大小为512MByte，数据宽度为72位，其中8位为纠错位。SRAM主要用作存储执行程序和数据。

Nor Flash存储器大小为32MByte，数据宽度为16位。Nor Flash存储器主要用作存储操作系统。

Nand Flash存储器大小为8G字节，数据宽度为8位，采用UPM控制逻辑进行接口设计，提高数据存储效率，Nand Flash存储器主要用作文件系统设计[6]。

EEPROM存储器的大小为64KByte，可用来保存一些非易失性数据，通过I2C总线进行数据的读写操作。EEPROM的I2C总线地址为1010000b。

2.5 VPX总线接口

采用PLX公司PCIe桥芯片PEX8648扩展实现系统提供4路PCIe串行总线接口，每路PCIe总线可支持×1、×2、×4、×8模式，PCIe接口定义符合VPX总线规范。

2.6 LCD显示接口

采用EPSON公司S1D13748进行LCD显示控制接口设计，提供1M字节内嵌显存，支持RGB5:6:5显示格式。

2.7 看门狗复位电路

采用MAX706硬件看门狗和处理器软件看门狗相结合进行设计，确保主控系统模块运行稳定可靠。

3 主控模块系统软件设计

嵌入式实时多任务操作系统VxWorks是美国Wind River System公司的产品，由于其性能稳定、可靠，接口丰富，功能强大等特点，在通信、网络、工业、军事领域等有着广泛的应用。VxWorks6.8版本操作系统对PowerPC新出的多个系列处理器提供强有力的支持，除QorIQ系列最新的几款处理器以外，均提供完整的底层驱动开发软件模板，并支持多核进行操作系统软件设计。目前，针对VPX总线硬件平台主控系统模块，主要完成以下操作系统相关的底层驱动软件设计：

1）两套DDR2共1G内存的SDRAM配置驱动，操作系统运行可选择单核工作模式和双核对称工作模式；

2）基于IIC总线的EEPROM驱动设计，可实现主控模块IP、MAC地址信息、工作模式配置、以及其他掉电存储信息的保存；

3）基于NOR Flash的在线擦除、编程操作，可实现主控模块操作系统、应用程序的在线更新，为系统软件的维护、升级提供便利；

4）基于NandFlash的电子盘驱动，采用UPM模式进行无缝连接设计，电子盘容量最高可达8G字节，超大的容量可满足目前绝大多数应用的需要，用于存储各种应用数据信息；

5）网络接口驱动，完备的网络接口驱动提供TCP/IP、UDP等IPV4标准通信协议，并据要求可支持IPV6协议标准；

6）PCIe接口驱动，实现点对点的PCIe接口驱动，与PEX8648实现PCIe接口的访问控制，扩展的PCIe接口则需要根据用户进行编写；

7）显示接口驱动，实现对LCD控制芯片的访问控制，具体的驱动还需要根据用户需求进行扩展。

4 结 论

VPX总线规范已经提出，但仍然存在很多不确定因素，比如总线类型、总线结构等，因此在设计时也更加灵活，点对点高速串口通信模式虽然提高了数据传输带宽，信号线更少，接口更加简化，但没有具体确定信号的定义，导致不同的VPX总线系统设备信号定义可能完全的不同，因此标准化程度却比CPCI总线等并行总线较弱。采用PowerPC8641D双核处理器作为核心处理器、以PEX8648的PCIe桥芯片进行总线扩展的VPX总线硬件平台主控模块设计是成功的，硬件设计均达到了预期全部功能。VxWorks6.8版本操作系统的成功移植极大的加快了系统主控模块的底层驱动软件开发设计，并很好支持双核处理器的应用。采用PCIe进行VPX总线扩展，每对总线传输速率为2.5 GT/S，如果采用×8模式的PCIe模式，传输速率可高达20 GT/S，如此高的速率为系统提供了非常可观的数据带宽。但是在功耗方面，VPX总线硬件平台的主控模块功耗相对较高，系统主控模块在核频率1 GHz、双核运行的室温条件下功耗达到30瓦，改用单核运行功耗为20瓦，因此，采用E600核设计的MPC864XX处理器功耗相对较高。

[1] 包利民，潘奇.VPX总线技术及其实现[J].电子机械工程，2012，28(4):57-60.

BAO Li-min,PAN Qi.VPX bus techniques and its implementation[J].Electro-Mechanical Engineering,2012,28(4):57-60.

[2] 洪艳，沈利华.基于VPX高速综合信息处理平台设计[J].导弹与航天运载技术，2011,313(3):58-61.

HONG Yan,SHEN Li-hua.Comprehensive information processing platform design based on the VPX standard[J].Missiles and Space Vehicles,2011，313(3)：58-61.

[3] 陈志列，陈超.基于VPX总线的高级计算平台的研究与设计[J].兵工自动化，2012,31(4):24-28.

CHEN Zhi-lie ,CHEN Chao.Research and design of advanced computing platform based on VPX bus [J].Ordnance Industry Automation,2012，31(4):24-28.

[4]Freescale. MPC8641D Integrated Host Processor Family Reference Manual[M].Freescale ,2008.

[5] 李宇，王巍.基于VPX的高性能计算机设计[J].计算机测量与控制，2011,19(11): 2766-2768.

LI Yu,WANG Wei.Design of high-performance computer based on VPX[J].Computer Measurement and Control,2011,19(11): 2766- 2768.

[6]Baraniuk R G.How to Interface the PowerQUICC II Pro and powerQUICC III Local .Bus controller to NAND Flash[J].Freescale,2005(5):90-94.

Design and realization of the master control module based on VPX bus hardware platform

WANG Li ，FU Yue-sheng， CHEN Si-si
（The 722th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430079, China）

This paper lays particularly on the design and research of the master control module on the VPX bus hardware platform. First the technical standard and the current development of VPX bus are introduced. Then the designed principle of the master control module based on VPX bus system is discussed, including both the hardware design for the master control module and the software design for the operating system. Finally, the verification of whole the design is done, and the actual result is analyzed and evaluated.

VPX bus； PCIe；hardware platform；VxWorks

TN46

A

1674-6236(2014)14-0117-03

2013-10-23 稿件编号：201310153

王 丽（1977－），女，湖北洪湖人，硕士，工程师。研究方向：硬件电路设计。