PowerPC和Dallas的時鐘芯片接口設計
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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計方法。
在通信領域，摩托羅位的PowerPC（如MPC850、MPC860、MPC8260等）的應用越來越廣泛。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域的應用也越來越多。同時在許多系統中都需要實時時鐘，而應用最廣泛的當數Dallas的時鐘芯片。摩托羅拉的PowerPC系列地址線和數據線是獨立的，而Dallas的時鐘芯片的地址線和數據線是復用的。本文以MPC860和DS1687為例，給出接口的設計方法和電路。因為用CPLD來實現，進步增加了通用性。
1 DS1687的功能和時序特點
在我們開發的寬帶接入服務器（BNAS）中用到了MPC860，作為客戶端與RADIUS服務器配合實現對用戶信息的認證、鑒權、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的數據在掉電后不會丟失；
*解決千年蟲問題；
*集成242字節的NVRAM；
*可編程方波輸出；
*輸出32.768kHz信號，以支持電源管理功能；
*在不加電時數據至少保存10年。
DS1687的CPU接口為地址線數據線復用，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，如異步時序內存、異步時序的專用芯片。MPC860的GPCM接口是地址和數據非復用的，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置寄存器進行調整。
3 接口的設計原理和具體實現
從DS1687的時序看出，在一次讀或寫的操作中，地址/數據線先出現地址后出現數據；而GPCM接口在一次操作中，數據線輸出數據，地址線輸出地址。從這個特點出發，設想用MPC860的兩次操作產生的時序來完成DS1687的一次操作。具體思路如下：把MPC860的數據線（D0…D7）與DS1687的地址/數據線（AD0…AD7）相連，通過MPC860的GPCM口直接輸出的地址A11（也可根據內存空間劃，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，但在本系統中，還要實現MPC860上電配置字設置、長監控時間的看門狗、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，在系統中的應用會越來越廣泛。在本設計中選擇了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，該系列都是在系統可編程的，編程/擦除次數最少為1萬次。CPLD的延時可以預測，適合作小規模的、對時序要求嚴格的邏輯。設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（假設讀取地址0x55的數據），首先執行一條地址為0x07060000,數據為0x55的寫指令：
REG8（0x07060000）=0x55
地址可根據系統定，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上的數據鎖存作為地址，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上的數據也正是是指令寫入的數0x55，也就是DS1687在ALE下降沿把0x55鎖存作為地址。緊接著執行一條讀取指令：
value=REG8（0x07160000）
應保證讀操作地址的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單元處的數據鎖存進MPC860的value單元。
當MPC860對DS1687進行寫操作時（假設地址為0x55，寫入的數據為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，將數據鎖存進DS1687。
4 小結
在實際使用過程中，可以將讀寫DS1687分別編成一個函數，簡化編程。該方法不僅適合于MPC860和DS1687的接口，也適合其它的數據地址非復用的CPU和數據地址復用的外圍芯片的接口。該接口設計在BNAS系統中成功使用之后，已陸續在公司其他部門得到了應用。
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