基于P2041处理器的高性能实时数据处理平台设计.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期相对 ARM尧X86 等其他架构的处理器袁PowerPC 处理器因具有高可靠性及优越的性能功耗比等优点袁 在航空航天等应用领域长期占据领先地位遥 P2041 处理器是一款 Freescale 公司推出的四核高性能 PowerPC 架构处理器袁 具有处理能力高尧缓存容量大以及高速接口丰富等优点遥 为满足雷达处理机单元内数据处理平台更快更强及高可靠高实时的需求袁结合 PowerPC处理器的发展趋势袁本文采用标准化尧模块化尧通用化的设计思路袁介绍了一种以两片 P2041 处理器及 FPGA 芯片为核心的高性能实时数据处理平台设计方案遥1平台总体设计方案如图 员 所示袁该平台采用双处理单元架构袁每个处理单元拥有独立的处理器尧总线控制器尧主存储器以及 Flash 存储器袁共享通信接口尧中断控制器袁两个处理处理器通过 PCIE 总线与 SRIO总线完成数据交换和通信遥 在雷达处理平台中袁两个处理单元承担不同的任务袁一个负责通信接口处理袁另一个负责数据处理遥图 1高性能实时数据处理平台框图2硬件详细设计2.1 处理器单元设计PowerPC 数据处理单元是本系统数据处理尧伺服控制和接口通信的核心运算单元袁 主要由 Freescale 公司的高性能四核八线程处理器 P2041 和处理器外围辅助单元组成袁两个不同功能的 PowerPC 处理单元的模块化原理框图如图 2 所示遥图 2P2041 控制处理器单元原理框图P2041 处理器是基于高性能 Power 体系的 e6500 内核袁包括多种高低速外设接口袁处理器的每个核可提供 1500 MHz 的主频袁四核可灵活采用 SMP 或 AMP 多重处理工作模式袁可根据工程应用共享或分享处理器外围资源遥 P2041 处理器支持丰富的接口和功能单元袁主要包括多元交叉交换单元尧DDR3/DDR3L控制器尧安全加密单元尧千兆以太网 MAC尧PCI Express尧SerialRapidIO尧USB尧LocalBus尧DMA尧SPI尧I2C尧UART尧Timer 等遥2.2 电源设计数据处理平台采用 12 V 电源输入供电袁 经电源转换电路转为所需的各种电压遥 二次电源采用 Linear 公司的 LTM4630实现 12 V 至 1.0 V尧1.2 V 等核心电压的电源转换袁 其最大输出电流 18 A袁用于 P2041 内核供电遥 采用 Linear 公司的LTM4644实现 P2041 的 OVDD尧CVDD尧LVDD尧DVDD 等模块供电遥 在电源设计中袁 需要特别注意的是 P2041 处理器高速口模块的供电袁一定要做好该部分电源的滤波或者采用线性电源来供电袁电源网络如图 3 所示遥数据处理平台的主芯片如 P2041尧K7 等电源种类较多袁按照芯片要求进行上电袁 且所有的电源从上电到稳定输出必须控制在 50 ms 之内遥基于 P2041 处理器的高性能实时数据处理平台设计曲晓杰戴余龙郑毅渊中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所袁江苏 无锡 214082冤A High-performance Real-time Data Processing Platform Based on P2041 Processor摘要院设计了一款基于双 P2041 处理器的高性能实时数据处理平台遥该平台采用 VPX 标准 6U 尺寸袁涉及数据处理尧接口控制等多个功能单元袁 可实现系统通信与控制和数据交换与处理等多种功能遥 同时袁 该平台实现了千兆以太网尧PCIE尧SRIO 等高速接口的全交换架构袁支持 FC-ASM尧1553B尧ARINC429 等航电标准总线袁具有可靠性高尧实时性强和传输速率快等优点袁已在多个雷达平台实现功能性能应用和环境试验验证遥关键词院P2041 处理器曰高性能曰航电总线曰VPXAbstract:This paper provides a high performance real-time data processing platform based on two P2041 processors.This platform adopts standard size of 6U,relating to the data processing,interface control and other functional units,andrealizes the system communication and control,data exchange and processing.Also it can provide several high speed in鄄terfaces,for example,Gigabit network,PCIE,SRIO and etc.,supports avionics standard bus FC-ASM,1553B,ARINC429,and so on.Simultaneously,with the combination of software,hardware and the logic control,this platform achieves a re鄄dundancy data processing function with the advantages of high dependability,strong real-time,high transmission rate andetc.It has been tested and verified on several RADAR platform.Keywords:P2041 Processor,high performance,avionics bus,VPX47基于 P2041 处理器的高性能实时数据处理平台设计2.3 复位电路设计数据处理平台的复位信号主要由 CPLD 统一管理袁 方便灵活配置遥 复位输入主要是系统复位尧板级复位和看门狗复位曰复位输出包括 P2041尧DDR3尧Flash 及光纤子卡等多个功能模块袁如图 4 所示院图 4复位电路示意图2.4 时钟电路设计数据处理平台时钟种类颇多袁 主要由单端时钟和时钟发生器配合产生遥 单端时钟使用晶振输出袁 其中主要有 25 MHz尧100 MHz 等袁负责系统时钟尧DDR3 等模块的时钟供给遥 差分时钟有依156.25 MHz尧依100 MHz 以及依125 MHz袁负责处理器高速接口的 Serdes 模块尧 以太网以及交换机等模块的时钟供给遥时钟设计框图如图 5 所示遥2.5 存储设计数据处理平台的存储设计主要包括 P2041 处理器的 128 MB的 Nor Flash 程序存储器袁64 GB 的 eMMC 大容量数据存储器和 DDR3 存储单元遥DDR3 存储单元主要由 P2041 处理器的 DDR 控制器尧DDR3 SDRAM 阵列尧阻抗匹配网络和供电电源组成袁为处理器提供高达 4GB 的内存遥DDR3 SDRAM阵列主要由4片Micron公司的MT41H512-M16HA 存储器并联组成袁 每片数据宽度为 16 位袁 拼接成 64 bit数据位宽袁容量为 4 GB袁接入 DDR 控制器的 BANK0袁系统不采用 ECC 功能曰 阻抗匹配网络主要采用阻容构建袁 设计中根据PCB 仿真结果设置相应阻容的值限袁 用于控制 DDR 网络的阻抗匹配遥2.6 SRIO 接口设计为满足数据交换高带宽需求袁提升数据交换能力袁本文采用了基于 CPS-1848 芯片的 SRIO 总线交换架构遥芯片 CPS-1848 是 IDT 公司最新推出的 SRIO2.1 标准的交换芯片袁有 48 个双向的数据差分对袁可以配置成 1伊尧2伊尧4伊三种端口模式遥最多可以配置成 18 个 1伊或 12 个 4伊端口袁每个lane 速度可高达 6.25 Gbps遥CPS1848 的应用面向大型处理器集群或背板袁支持多种拓扑结构袁可以采用灵活方式配置袁可选的配置方案也非常丰富遥 SRIO 交换模块框图如图 6 所示院图 6SRIO 交换模块原理框图2.7 千兆网接口设计数据处理平台内采用 Marvell 交换芯片 MV88E6185 实现千兆网互联袁交换原理框图如图 7 所示院图 7网络交换原理框图本平台所有调试网口全部连接在交换机 LAN 口上袁WAN口通过 PHY 转换成标准网口连接调试计算机遥 同时引出 4 路SGMII 口通往底部接插件袁供雷达系统内其他模块使用袁其他模渊下转第 51 页冤图 3电源原理框图图 5时钟电路示意图48叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期图 8Modbus 通讯代码渊上接第 48 页冤块也采用类似交换结构袁WAN 口通过底板连接到本模块 LAN口袁形成级联交换袁保证一个调试网口能调试整个雷达系统所有带网口调试功能的处理器遥在设计调试功能的同时也设计了网络数据交换通信遥P2041 Serdes 口尧故障日志等接口也连接到交换机 LAN 口上袁配置后袁LAN 口之间可互相通信袁实现数据交换遥2.8 PCIE 接口设计为满足数据双高速总线备份需求袁本文采用了基于 PEX8648芯片的 PCIE 总线交换架构遥芯片 PEX8648 是 PEX 公司最新推出的 PCIE2.0 标准的交换芯片袁 有 48 个双向的数据差分对袁 可以配置成 1伊尧2伊尧4伊尧8伊尧16伊端口模式遥 最多可以配置成 12 个 4x 端口袁每个 lane 速度可高达 5 Gbps遥 PEX8648 的应用面向大型处理器集群或背板袁支持多种拓扑结构袁可以采用灵活方式配置袁可选的配置方案也非常丰富遥 PCI耘 交换模块框图如图 8 所示遥3VPX 互联设计数据处理平台采用 VPX 高速串行总线技术来实现高带宽袁通过 SRIO尧SGMII 接口来进行板间互联袁有效解决了数据处理平台海量数据传输瓶颈问题遥 大量的板间通信测试可以证明该平台具有数据通信速率快尧可靠性高等优点遥4结束语本文提出了一种高性能实时数据处理平台的设计方案袁详细地阐述了各功能电路及可编程逻辑的设计方法遥 该方法具有模块化尧通用化的设计特点袁使该平台的功能尧性能尧可靠性和灵活性均大大提高遥 经实际应用验证袁该设计满足工程使用要求遥参考文献咱1暂沈华袁汤彦飞袁李乔杨.PowerPC 处理器的发展历程咱J暂.计算机光盘软件与应用袁2013袁员远渊员圆冤院苑猿原苑源咱圆暂龚伟.一体化信息处理平台总线架构设计与实现咱阅暂.成都院电子科技大学袁2016咱收稿日期院圆园圆圆-12-16暂3结束语本文采用低功耗 LORA 通讯技术进行组网袁应用 L韵R粤 技术袁可以将烟机设备连接到 L韵R粤 网络系统中袁把车间的烟机设备看作 L韵R粤 节点袁 节点实时将状态信息经由网关上传至监控系统袁从而实现远距离通讯遥 该系统不仅可以支持 4G尧Wi-Fi 等无线通讯方式袁也可通过有线的方式连接到网络遥参考文献咱1暂李慧敏袁邢强袁高源袁等.基于 LoRa 的矿区远程抄表系统的设计咱J暂.农村电气化袁2021渊7冤院源圆原源源咱2暂温小飞袁许克荣袁王海荣袁等.基于 LoRa 的无人艇运行状态监测系统.舰船科学技术袁2022袁源源渊圆员冤院远猿原远愿咱3暂张天立袁杨宏业.基于 LoRa 的远程温室大棚环境监测系统咱J暂.内蒙古工业大学学报渊自然科学版冤袁2019袁猿愿渊6冤院源源远原源缘猿咱收稿日期院圆园圆猿原园圆原员园暂图 9监控系统配置图 11监控界面图 10监控变量添加图 8PCIE 交换模块原理框图51