CN103092787A - 一种基于PowerPC架构的多功能低功耗总线通讯模块 - Google Patents

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温世杰
李印国
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Abstract

本发明属于数据通讯领域，具体涉及一种低功耗情况下的多功能数据总线通讯模块。该模块采用PowerPC系列的低端CPU与FPGA相结合的方式，将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线集成到了一块板卡内。在具体的实现上，它主要包括三部分内容：(1)将三种数据总线全部接入FPGA，并通过本地总线与MPC8315最小工作***相结合，组成一个统一的数据通讯平台(2)配置MPC8315的底层BSP，使三种数据总线采用统一的数据传输协议，保证与上层硬件平台的一致性(3)设计FPGA内部的逻辑电路，将三种数据总线的读写操作统一为一种模式，实现MPC8315与数据总线间的数据读写操作。本发明的优点在于：利用FPGA的可编程性，将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线统一为一种模式，再与低功耗的PowerPC架构CPU相结合，既实现了多种数据总线通讯功能，又大大降低了板卡及***的功率消耗。

Description

一种基于PowerPC架构的多功能低功耗总线通讯模块
技术领域
本发明属于数据通讯领域，将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422等数据通讯总线与低功耗的PowerPC架构CPU相结合，实现低功耗情况下多种数据总线间的协调工作。
背景技术
现代航空电子综合化技术的发展大大提高了飞机的性能，航空电子综合化的关键是机载通信网络的组建。而现役和正在研制的军用飞机绝大多数是基于MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422等建立多路传输、总线分布式的航空电子通信***。值得注意的是军机的高实时性、机动性和可靠性等特殊指标对航空电子通信***提出了更高的要求。
通常的总线通讯解决方案，一是将各种数据总线分布于不同的板卡上，并与性能较差，但功耗较低的ARM系列CPU相结合。这一方案降低了单板的设计难度和功率消耗，但是增加***整体的复杂度和功率消耗，同时稳定性和可靠性也较低。
另一种方案是，将各种数据总线集成到一块板卡上，与性能较高、但功耗大的x86系列CPU相结合。这一方案的优点是，单板集成度高，***集成便利，缺点是功率消耗较大，对***的散热设计要求很高，同时，高温环境对***的稳定性和可靠性影响较大。
发明内容
针对这一问题，我们采用PowerPC架构的低端CPU结合FPGA的方式，将三种数据总线集成到一块板卡上。该方案利用FPGA的逻辑控制，将三种数据总线统一为一种模式，挂接在CPU的本地总线上，实现了低功耗、低性能CPU情况下的多种总线通讯。
根据型号研制的相关要求，我们选择的CPU为PowerPC系列的MPC8315，FPGA为Altera公司的EP3C40F484，三种总线接口为BU-61843、HI-3582和XR16V798IQ。本发明设计的多功能总线通讯模块的原理如附图1所示。
MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线均接入FPGA内，FPGA根据当前的任务需求和优先级，将其中一种总线的数据通过Local bus送入CPU。这时，以MPC8315为核心的最小工作***，相当于只针对一种总线进行数据通讯，大大降低了***软件的复杂度和开销，进而降低了***的功率消耗。
本发明的优点在于：(1)将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线集成到了一块板卡内；(2)通过FPGA进行逻辑控制和协调，统一数据通讯模式，降低了CPU的任务开销；(3)可以选择功耗低、性能略差的CPU芯片，从而降低整个通讯模块的功率消耗。
附图表说明
图1为基于PowerPC架构的多功能总线通讯模块原理图；
图2为以MPC8315为核心的最小工作***原理图；
图3为FPGA写数据总线流程图；
图4为FPGA读数据总线流程图；
具体实施方式
如附图1所示的多功能总线通讯模块，主要包括以下三部分：硬件的组织架构；MPC8315底层BSP的配置；FPGA内部的逻辑控制和协调。
1)多功能总线通讯模块的硬件结构
Figure BSA00000600655100021
MPC8315最小工作***：包含一片MPC8315，4片SDRAM，一片CPLD和一片NORFlash，如附图2所示。MPC8315的最大工作频率为400MHz，内核的最大功耗为1.69W，用于挂接***芯片的Local bus的最大功耗为0.056W。MPC8315在降低工作频率的同时，大大降低了***的功率消耗，而主频降低导致的性能下降，可以通过后端的FPGA来弥补，这样就在保证正常工作的前提下，大大降低了***的功耗。
Figure BSA00000600655100022
挂接在CPU本地总线上的FPGA：在CPU本地总线这一端，FPGA与16位数据总线、25位地址总线、读写控制信号和片选信号相连，使得MPC8315对外部数据总线的读写操作，统一为对FPGA的读写操作，这样简化了***软件的设计工作，降低了***硬件的开销。
Figure BSA00000600655100023
通过FPGA扩展的三种数据总线：MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422全部通过I/O端口接入FPGA，并与其内部的自建数据总线相连。FPGA对Local bus地址总线上传递的信号进行译码，转换成相应数据总线的读、写信号，完成数据的接收与发送。
2)MPC8315底层BSP配置：
在硬件架构上，将三种数据总线的读写操作统一为一种模式后，还需要在底层驱动软件(BSP)中，统一数据总线的操作方式。
MPC8315最小工作***的底层BSP涉及到***的各个方面，这里我们只介绍与Local bus有关的数据传输方式和地址空间配置。根据多功能总线通讯模块的硬件架构，我们将三种数据总线的数据传输模式，统一采用GPCM协议，同时，在config.h和sisLib.c两个文件中对三种数据总线占用的地址空间进行设置。
3)FPGA内部的逻辑控制和协调：
多功能总线通讯模块的关键在于，FPGA对MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线的逻辑控制和调度。
MPC8315进行数据总线写操作时，并不区分具体的数据总线格式，只是根据预先设定好的地址空间，直接执行写操作命令，而由FPGA对地址空间进行译码，转换成相应总线的写驱动信号，完成数据发送任务，其流程如附图3所示。
MPC8315进行数据总线读操作时，也不区分具体的数据总线格式，而是等待FPGA提供的中断信号，并根据该信号，执行相应地址空间内的数据读命令。同样，FPGA对地址空间进行译码，转换成相应总线的读驱动信号，完成数据接收任务。
对于三种数据总线触发的中断信号，FPGA利用时间片段进行切换，上电初始状态时，先等待MIL-STD-1553B中断信号，一段时间后，等待ARINC429中断信号，同样的时间后，等待RS422中断信号，之后再切换到等待MIL-STD-1553B中断信号，如此循环往复。在某一时间片段内，如果有相应的中断信号，就将该信号送入MPC8315，完成中断操作，如果中断信号出现在其它总线的时间片段内，就处于等待状态，直到下一个循环到来。
MPC8315进行数据总线读操作时的FPGA流程如附图4所示。
综上所述，利用FPGA的可编程性，将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线统一为一种模式，再与低功耗的PowerPC架构CPU相结合，既实现了多种数据总线通讯功能，又大大降低了板卡及***的功率消耗。此外，MPC8315还集成有多种其它接口，具有较强的可扩展能力。

Claims (4)

1.一种基于PowerPC架构的军用多功能低功耗总线通讯模块，其特征在于：选用PowerPC系列的低端CPU与FPGA相结合，将MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线统一为一种模式，集成到一块通讯板卡内；该模块应用于航空电子***时，具备低功耗、高性能、高可靠性等优点。
2.如权力要求1所述的军用多功能、低功耗总线通讯模块，其特征在于：选用PowerPC系列的低端CPU MPC8315组成最小工作***，负责总线通讯模块的数据读、写操作。MPC8315的最大工作频率为400MHz，内核的最大功耗为1.69W，用于挂接***芯片的Local bus的最大功耗为0.056W。
3.如权力要求1所述的军用多功能、低功耗总线通讯模块，其特征在于：MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422全部通接入FPGA，由FPGA统一为一种模式后，经本地总线接入MPC8315。同时，为了和硬件架构保持一致，在MPC8315底层BSP设计中，将三种数据总线的数据传输模式也统一采用GPCM协议。
4.如权力要求1所述的军用多功能、低功耗总线通讯模块，其特征在于：FPGA通过内部的逻辑控制，协调MIL-STD-1553B、ARINC429和RS422三种数据总线与CPU间的数据通讯。进行数据写操作时，FPGA对本地总线上的地址信号进行译码，转换成相应总线的写驱动信号；进行数据读操作时，FPGA利用时间片段协调中断信号，并对本地总线上的地址信号进行译码，转换成相应总线的读驱动信号。
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