0 引言
在設備更新換代時,，對現有設備進行合理的升級,，不僅能提升設備的性能，同時還可以延長設備壽命,，降低全壽命周期的費用,，同時升級后的設備在使用維護上還具有良好的繼承性。
80486處理器雖然已問世十多年,，但在各個領域,，尤其是機載航電系統中仍有大量應用。目前使用80486處理器的大多數模塊,，普遍存在系統集成度偏低、總線傳輸速率較慢的缺點,。針對這一問題,，本文結合某計算機系統CPU模塊的升級，提出一種解決方案,，該方案采用PCI總線提升系統性能,，同時將部分功能單元以IP核(InteUectual Property Core)的形式集成到FPGA中，實現了小型化設計(CPU模塊采用PMC標準板卡外形及安裝方式),。
1 典型采用80486處理器的模塊結構
圖1為一種典型的采用80486處理器的模塊(以下簡稱典型80486模塊)結構圖,。該模塊采用標準的1／2ATR外形尺寸，系統總線采用LBE(Local Bus Extension)總線,，最大傳輸速率約40Mb／s,，模塊重量約380g，功耗約5W(5V,，1A),。
2 小型化80486 CPU模塊設計
小型化80486CPU模塊(以下簡稱CPU模塊)由處理器、FLASH,、SRAM,、NVRAM,、可編程邏輯、看門狗,、時鐘,、PCI接口電路、RS232串行接口電路,、DC／DC電路和隔離電路組成,，系統結構圖如圖2所示。
CPU模塊與典型80486模塊的系統結構差異對比見表1,。
2．1 硬件設計
2．1．1 處理器及存儲器電路
CPU模塊的處理器及存儲器配置如下,；a．處理器采用AMD公司的AM80486DX2處理器，外部輸入時鐘33MHz,，內部工作頻率66MHz,，芯片工作在保護模式下，最大尋址空間為4GB,；b．FLASH 4MB,，SRAM 1MB，NVRAM 32KB,。
2．1．2 外圍工作電路
外圍工作電路主要包括復位及看門狗電路,、離散量接口電路、RS232接口電路和DC／DC電路,，具體配置如下：a．復位及看門狗電路,，采用MAX706芯片實現，看門狗周期1s,；b．離散量接口電路,，3路輸入TTL離散量；c．RS232接口電路,，采用MAX232AESE芯片實現2路RS232接口,；d．DC／DC電路，采用2個LT1085芯片實現5V／2．5V和5W3．3V的電源轉換,。
2．1．3 PCI接口電路
CPU模塊的系統總線采用PCI總線,，PCI總線寬度為32位(地址／數據復用)，總線工作時鐘33MHz,，最大傳輸速度可達132Mb／s,。CPU模塊采用PCI9056芯片作為PCI總線接口，主從選擇為Host方式,，工作模式為C模式,。由于AM80486處理器應用年代較早，無法直接與PCI接口芯片連接,，因此CPU模塊采用可編程邏輯連接AM80486局部總線和PCI9056,。
AM80486與PCI9056的交聯如圖3所示,。AM80486的地址和數據可直接與PCI9056相連。針對控制信號,，在本系統中,，CPU模塊是PCI總線上唯一的主設備，在訪問PCI總線時,，需對圖3中的控制信號進行邏輯綜合,。
2．1．4 可編程邏輯電路
可編程邏輯電路是系統控制器設計中的重點。由于模塊的小型化要求,，CPU模塊在設計可編程邏輯時將部分功能單元以IP核的形式集成到FPGA中,，以提高系統集成度。
CPU模塊的可編程邏輯采用采用一片XCV300芯片來實現,，除了地址譯碼,、邏輯控制、時序控制,、總線超時以及PCI控制邏輯等功能外,，還使用IP核完成中斷控制器、定時／計數器和串行協議轉換功能,?？删幊踢壿嬰娐返墓δ苁疽鈭D如圖4。
2．1．4．1 中斷控制器
可編程邏輯采用IP核實現一個具有1路非屏蔽中斷和16路可屏蔽中斷的中斷控制器功能,。中斷的觸發(fā)方式(電平觸發(fā)／沿觸發(fā))和16路可屏蔽中斷的優(yōu)先級軟件可調,。系統控制器在實現時使用了1路非屏蔽中斷和11路可屏蔽中斷，剩余資源可根據用戶需求使用,。
2．1．4．2 定時／計數器
可編程邏輯采用IP核實現一個3路獨立的8位定時／計數器功能,，其工作模式與MD8254的MODE2方式相同，每路定時器的輸出使能和計數頻率軟件可調,。系統控制器在實現時使用了兩路定時器供操作系統使用，剩余的1路留可根據用戶需求使用,。
2．1．4．3 串行協議控制
可編程邏輯采用IP核實現2路RS232串行協議控制,，用戶可以通過軟件對串行接口的工作方式(查詢／中斷)、串行數據的格式(數據位／起始位／停止位／奇偶校驗等)和串行通信速率(9600-119200bps可調,，默認38400bps)等參數進行設置,。
2．2 軟件設計
CPU模塊使用VxWorks5．5操作系統，軟件開發(fā)環(huán)境為Tornado 2．2,。VxWorks操作系統具有實時性,、可靠性、可剪裁性,、支持眾多的目標機,、系統的開放性,、豐富的環(huán)境工具和第三方支持等特點。VxWorks操作系統功能結構如圖5所示,。
CPU膜塊的軟件包括以下內容：a．FLASH編程工具,；b．BIT測試程序；c．Vxworks操作系統：d．驅動程序,；e．應用程序,。
3 結束語
小型化的CPU模塊，已成功應用在升級后的系統中,，取得了良好的成效,。除了總線傳輸速度提高(PCI總線最大傳輸速度可達132Mb／s)、使系統性能得到提升外,，還具有以下特點：
(1)安裝方式靈活,，節(jié)約系統資源。CPU模塊采用PMC板卡形式,，占用空間小(面積下降33％),，可以方便地安裝在其它模塊上，同時與典型的80486模塊相比,，重量下降70％,、功耗下降15％，節(jié)約了系統資源,。
(2)配置靈活,，升級潛力大。CPU模塊在本設計中作為PCI總線控制器(Host)使用,，但是只要更改PCI9056的配置,，并且對可編程邏輯做相應更改，即可作為PCI總線的主設備(Master)和從設備(Slave)使用,。由于采用了SoPC技術進行可編程邏輯設計,，CPU模塊上還有可利用的空間進行功能擴展(例如增加I2C電路和網絡接口)，同時只要提高處理器和PCI接口的工作頻率,，即可進一步提高CPU模塊的性能,。
(3)通用性強，應用前景廣泛,。由于采用了標準的PCI接口和PMC外形,，CPU模塊可以方便地配置在一個PCI總線系統中，并且具有可靈活配置的工作方式(Host／Master／Slave),。同時為現有采用80486處理器計算機系統的升級,，提供了可借鑒的模型，具有廣泛的應用前景。