PowerPC和Dallas的時鐘芯片接口設(shè)計

　　摘要：分析摩托羅位的PowerPC系列處理器和Dallas的實時時鐘芯片的時序，并詳細給出一種較為實用的接口設(shè)計方法。

    關(guān)鍵詞：實時時鐘 CPLD PowerPC 地址/數(shù)據(jù)復用

　　在通信領(lǐng)域，摩托羅位的PowerPC（如MPC850、MPC860、MPC8260等）的應(yīng)用越來越廣泛。由于這些嵌入式CPU上集成著豐富的通信資源（如快速以太網(wǎng)接口、多個串口等），而且有較高的運行速度和較低的價位，故在一些遠程測控領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。同時在許多系統(tǒng)中都需要實時時鐘，而應(yīng)用最廣泛的當數(shù)Dallas的時鐘芯片。摩托羅拉的PowerPC系列地址線和數(shù)據(jù)線是獨立的，而Dallas的時鐘芯片的地址線和數(shù)據(jù)線是復用的。本文以MPC860和DS1687為例，給出接口的設(shè)計方法和電路。因為用CPLD來實現(xiàn)，進步增加了通用性。

1 DS1687的功能和時序特點

　　在我們開發(fā)的寬帶接入服務(wù)器（BNAS）中用到了MPC860，作為客戶端與RADIUS服務(wù)器配合實現(xiàn)對用戶信息的認證、鑒權(quán)、計費等功能。在處理計費信息時需要有實時時鐘基準，我們選擇了Dallas的DS1687實時時鐘芯片。DS1687的引腳分布如圖1所示。

DS1687具有以下主要功能：

　　*集成晶振和鋰電池，芯片中RAM的數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失；

　　*解決千年蟲問題；

　　*集成242字節(jié)的NVRAM；

　　*可編程方波輸出；

　　*輸出32.768kHz信號，以支持電源管理功能；

　　*在不加電時數(shù)據(jù)至少保存10年。

　　DS1687的CPU接口為地址線數(shù)據(jù)線復用，讀寫時序分別如圖2和圖3所示。

2 MPC860的時序特點

　　MPC860有異步和同步兩種總線接口，分別稱為CPU和GPCM。UPM連接同步操作芯片，如SDRAM、SSRAM，具有較高的總線速度；GPCM連接異步操作的芯片，如異步時序內(nèi)存、異步時序的專用芯片。MPC860的GPCM接口是地址和數(shù)據(jù)非復用的，基本操作時序如圖4所示。為了簡單起見，將讀寫時序在同一幀圖上描述。其中片選讀信號OE和寫信號WE的上升或下降沿的位置可通過設(shè)置寄存器進行調(diào)整。

3 接口的設(shè)計原理和具體實現(xiàn)

　　從DS1687的時序看出，在一次讀或?qū)懙牟僮髦?，地?數(shù)據(jù)線先出現(xiàn)地址后出現(xiàn)數(shù)據(jù)；而GPCM接口在一次操作中，數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)，地址線輸出地址。從這個特點出發(fā)，設(shè)想用MPC860的兩次操作產(chǎn)生的時序來完成DS1687的一次操作。具體思路如下：把MPC860的數(shù)據(jù)線（D0…D7）與DS1687的地址/數(shù)據(jù)線（AD0…AD7）相連，通過MPC860的GPCM口直接輸出的地址A11（也可根據(jù)內(nèi)存空間劃，隨著選擇一根地址線）、片選CS5（MPC860共有8個片選輸出）、讀信號OE和寫信號WE的邏輯運算產(chǎn)生DS1687的ALE信號、讀信號DS_RD、寫信號DS_WE和片選信號DS_CS。邏輯運行如下：

　　ALE=!(CS5)+A11+WE)

　　DS_RD=OE+!A11

　　DS_WE=WE+!A11

　　DS_CS=CS5+/A11

    上述邏輯用或門、非門很容易實現(xiàn)，但在本系統(tǒng)中，還要實現(xiàn)MPC860上電配置字設(shè)置、長監(jiān)控時間的看門狗、MPC860與其它專用芯片的接口等其它功能，故選擇可編程邏輯器件PLD來完成這些功能。隨著PLD器件密度的提高和價格的下降，在系統(tǒng)中的應(yīng)用會越來越廣泛。在本設(shè)計中選擇了Xilinx公司的CPLD器件XC95144。它屬XC9500系列，由多個功能塊（FB）和I/O塊（IOB）組成，由開關(guān)矩陣FastCONNECTII完全互連。IOB提供器件的輸入和輸出緩沖，每個FB提供具有54個輸入和18個輸出的可編程邏輯的容量。該系列54個輸入和18個輸出的可編程邏輯的容量，該系列都是在系統(tǒng)可編程的，編程/擦除次數(shù)最少為1萬次。CPLD的延時可以預測，適合作小規(guī)模的、對時序要求嚴格的邏輯。設(shè)計采用圖形輸入方式，邏輯原理如圖5所示。

　　下面分析該電路的工作過程。當MPC860對DS1687進行讀操作時（假設(shè)讀取地址0x55的數(shù)據(jù)），首先執(zhí)行一條地址為0x07060000,數(shù)據(jù)為0x55的寫指令：

　　REG8（0x07060000）=0x55

　　地址可根據(jù)系統(tǒng)定，但要保證A11=0，此時DS_RD、DS_WE、DS_CS均無效。DS1687的ALE信號在下降沿將AD0～AD7上的數(shù)據(jù)鎖存作為地址，從ALE的表達式看到，ALE的下降沿正是WE的上升沿，而此時AD0～AD7上的數(shù)據(jù)也正是是指令寫入的數(shù)0x55，也就是DS1687在ALE下降沿把0x55鎖存作為地址。緊接著執(zhí)行一條讀取指令：

　　value=REG8（0x07160000）

　　應(yīng)保證讀操作地址的A11=1。由操作時序和邏輯表達式可知，此時

　　ALE=0

　　DS_CS=CS5

　　DS_RD=OE

　　在DS_RD（OE）的上升沿，將0x55單元處的數(shù)據(jù)鎖存進MPC860的value單元。

　　當MPC860對DS1687進行寫操作時（假設(shè)地址為0x55，寫入的數(shù)據(jù)為0xaa），需要兩條寫指針，第一條與讀DS1687操作時相同，目的是把地址寫入DS1687：

　　REG8（0x07060000）=0x55

　　第二條同樣是一條寫指令：

　　REG8（0x07160000）=0xaa

　　但目標地址要保證A11=1，此時接口輸出的信號值為：

　　ALE=0

　　DS_CS=CS5

　　DS_WE=WE

　　在DS_WE（即WE）的上升沿，將數(shù)據(jù)鎖存進DS1687。

4 小結(jié)

　　在實際使用過程中，可以將讀寫DS1687分別編成一個函數(shù)，簡化編程。該方法不僅適合于MPC860和DS1687的接口，也適合其它的數(shù)據(jù)地址非復用的CPU和數(shù)據(jù)地址復用的外圍芯片的接口。該接口設(shè)計在BNAS系統(tǒng)中成功使用之后，已陸續(xù)在公司其他部門得到了應(yīng)用。