PowerPC和Dallas的时钟芯片接口设计

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PowerPC和Dallas的时钟芯片接口设计

摘要：分析摩托罗位的PowerPC系列处理器和Dallas的实时时钟芯片的时序，并详细给出一种较为实用的接口设计方法。    关键词：实时时钟 CPLD PowerPC 地址/数据复用
在通信领域，摩托罗位的PowerPC（如MPC850、MPC860、MPC8260等）的应用越来越广泛。由于这些嵌入式CPU上集成着丰富的通信资源（如快速以太网接口、 多个串口等），而且有较高的运行速度和较低的价位，故在一些远程测控领域的应用也越来越多。同时在许多系统中都需要实时时钟，而应用最广泛的当数Dallas的时钟芯片。摩托罗拉的PowerPC系列地址线和数据线是独立的，而Dallas的时钟芯片的地址线和数据线是复用的。本文以MPC860和DS1687为例，给出接口的设计方法和电路。因为用CPLD来实现，进步增加了通用性。
1 DS1687的功能和时序特点
在我们开发的宽带接入服务器（BNAS）中用到了MPC860，作为客户端与RADIUS服务器配合实现对用户信息的认证、鉴权、计费等功能。在处理计费信息时需要有实时时钟基准，我们选择了Dallas的DS1687实时时钟芯片。DS1687的引脚分布如图1所示。
DS1687具有以下主要功能：
*集成晶振和锂电池，芯片中RAM的数据在掉电后不会丢失；
*解决千年虫问题；
*集成242字节的NVRAM；
*可编程方波输出；
*输出32.768kHz信号，以支持电源管理功能；
*在不加电时数据至少保存10年。
DS1687的CPU接口为地址线数据线复用，读写时序分别如图2和图3所示。

2 MPC860的时序特点
MPC860有异步和同步两种总线接口，分别称为CPU和GPCM。UPM连接同步操作芯片，如SDRAM、SSRAM，具有较高的总线速度；GPCM连接异步操作的芯片，如异步时序内存、异步时序的专用芯片。MPC860的GPCM接口是地址和数据非复用的，基本操作时序如图4所示。为了简单起见，将读写时序在同一帧图上描述。其中片选读信号OE和写信号WE的上升或下降沿的位置可通过设置寄存器进行调整。
3 接口的设计原理和具体实现
从DS1687的时序看出，在一次读或写的操作中，地址/数据线先出现地址后出现数据；而GPCM接口在一次操作中，数据线输出数据，地址线输出地址。从这个特点出发，设想用MPC860的两次操作产生的时序来完成DS1687的一次操作。具体思路如下：把MPC860的数据线（D0…D7）与DS1687的地址/数据线（AD0…AD7）相连，通过MPC860的GPCM口直接输出的地址A11（也可根据内存空间划，随着选择一根地址线）、片选CS5（MPC860共有8个片选输出）、读信号OE和写信号WE的逻辑运算产生DS1687的ALE信号、读信号DS_RD、写信号DS_WE和片选信号DS_CS。逻辑运行如下：
ALE=!(CS5)+A11+WE)
DS_RD=OE+!A11
DS_WE=WE+!A11
DS_CS=CS5+/A11

    上述逻辑用或门、非门很容易实现，但在本系统中，还要实现MPC860上电配置字设置、长监控时间的看门狗、MPC860与其它专用芯片的接口等其它功能，故选择可编程逻辑器件PLD来完成这些功能。随着PLD器件密度的提高和价格的下降，在系统中的应用会越来越广泛。在本设计中选择了Xilinx公司的CPLD器件XC95144。它属XC9500系列，由多个功能块（FB）和I/O块（IOB）组成，由开关矩阵FastCONNECTII完全互连。IOB提供器件的输入和输出缓冲，每个FB提供具有54个输入和18个输出的可编程逻辑的容量。该系列54个输入和18个输出的可编程逻辑的容量，该系列都是在系统可编程的，编程/擦除次数最少为1万次。CPLD的延时可以预测，适合作小规模的、对时序要求严格的逻辑。设计采用图形输入方式，逻辑原理如图5所示。
下面分析该电路的工作过程。当MPC860对DS1687进行读操作时（假设读取地址0x55的数据），首先执行一条地址为0x07060000,数据为0x55的写指令：
REG8（0x07060000）=0x55
地址可根据系统定，但要保证A11=0，此时DS_RD、DS_WE、DS_CS均无效。DS1687的ALE信号在下降沿将AD0～AD7上的数据锁存作为地址，从ALE的表达式看到，ALE的下降沿正是WE的上升沿，而此时AD0～AD7上的数据也正是是指令写入的数0x55，也就是DS1687在ALE下降沿把0x55锁存作为地址。紧接着执行一条读取指令：
value=REG8（0x07160000）
应保证读操作地址的A11=1。由操作时序和逻辑表达式可知，此时
ALE=0
DS_CS=CS5
DS_RD=OE
在DS_RD（OE）的上升沿，将0x55单元处的数据锁存进MPC860的value单元。
当MPC860对DS1687进行写操作时（假设地址为0x55，写入的数据为0xaa），需要两条写指针，第一条与读DS1687操作时相同，目的是把地址写入DS1687：
REG8（0x07060000）=0x55
第二条同样是一条写指令：
REG8（0x07160000）=0xaa
但目标地址要保证A11=1，此时接口输出的信号值为：
ALE=0
DS_CS=CS5
DS_WE=WE
在DS_WE（即WE）的上升沿，将数据锁存进DS1687。

4 小结
在实际使用过程中，可以将读写DS1687分别编成一个函数，简化编程。该方法不仅适合于MPC860和DS1687的接口，也适合其它的数据地址非复用的CPU和数据地址复用的外围芯片的接口。该接口设计在BNAS系统中成功使用之后，已陆续在公司其他部门得到了应用。

李小路

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