龍芯2號PC104 Plus處理器模塊設計

摘要：介紹了基于龍芯2號的PC104Plus處理器模塊的設計方案。該方案以龍芯2號為核心，符合PC104Plus總線(xiàn)規范，并針對模塊中電源設計、復住時(shí)序、時(shí)鐘電路及信號完整性等關(guān)鍵問(wèn)題給出了相應的解決方法?；谠摲桨傅?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/處理器">處理器模塊已研制成功并應用于一航空電子視頻記錄儀中。

關(guān)鍵詞：龍芯2號PC104Plus總線(xiàn)嵌入式計算機信號完整性

PC104Plus標準由IEEE標準化組織于1997年制定，對原PC104標準進(jìn)行了擴展。PC104Plus總線(xiàn)由兩部分組成，分別與PCI總線(xiàn)和ISA總線(xiàn)完全兼容。該標準制定了一種體積小、功耗低、連接靈活的嵌入式總線(xiàn)規范。由于其具有超小型、高集成度、高可靠性等特點(diǎn)，目前已被廣泛應用于工業(yè)控制、航空航天、軍事等領(lǐng)域中。

龍芯2號是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所自主研發(fā)的國內首款64位高性能通用CPU，已經(jīng)批量生產(chǎn)的龍芯2C（Godson2C]CPU經(jīng)實(shí)測性能達到了奔騰3系列500MHz水平?；邶埿?號設計相應的PC104Plus處理器模塊，將填補我國通用處理器在PCI04Plus產(chǎn)品領(lǐng)域的空白，為國產(chǎn)通用處理器的應用提供一個(gè)新的途徑。對比市場(chǎng)上基于x86體系結構的對應產(chǎn)品，龍芯2號由于采用了RISC體系結構，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)，因此基于龍芯2號的PC104Plus處理器模塊將有很大的優(yōu)勢和很高的性?xún)r(jià)比。

1系統設計

PC104Plus處理器模塊是一個(gè)小型化但功能完整的CPU主板系統，在設計時(shí)必須為龍芯2號選擇相應的北橋和南橋等配套芯片。龍芯2號采用了工業(yè)標準的64位SYSAD系統總線(xiàn)接口，因此相應地選用了Marvell公司的GT64240A作為JPC104Plus處理器模塊中龍芯2號的配套北橋。在系統中，南橋采用了Intel的82371芯片，該芯片通過(guò)PCI總線(xiàn)與系統北橋相連接，可提供兩個(gè)IDE接口、兩個(gè)USB接口并對外提供ISA總線(xiàn)接口。SUPERIO芯片選用了Winbond的W83977，通過(guò)ISA總線(xiàn)與南橋連接。系統完整的結構圖如圖1所示。

從圖l中可以看出．龍芯2號與北橋直接用SYSAD64總線(xiàn)連接，并從北橋的SDRAM接口擴展了一個(gè)SODIMM槽，可直接使用市場(chǎng)上的筆記本內存條。方便用戶(hù)進(jìn)行內存升級和更換，最大可支持到256M。BIOS啟動(dòng)電路從北橋的32位DEVICE口擴展，可支持8位F1lASH或EEPROM為BIOS啟動(dòng)芯片。GT64240支持兩個(gè)PCI口，在設計中采用了PCI0連接系統南橋芯片。PCI1連接到PCIPlus插座，用于擴展其他PCl04Plus模塊。南橋和superIO提供了系統的外設接口，并同時(shí)將ISA總線(xiàn)擴展到PC104插座。為了提高系統的可靠性，通過(guò)北橋的MPP端口(多功能口)擴展了看門(mén)狗電路和揚聲器電路，可用于系統恢復和報警。

2關(guān)鍵技術(shù)

PC104Plus系統通常用于對應用空間有較高要求的環(huán)境或工業(yè)、野外等惡劣環(huán)境中，因此要求模塊體積小并且可靠性高。以下對系統設計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2．1電源方案設計

電源是整個(gè)系統的關(guān)鍵，電源的性能在很大程度上將直接影響系統的可靠運行。實(shí)踐經(jīng)驗表明，在工業(yè)控制計算機因外部干擾引起的故障中，80％以上都是因為電源的原因產(chǎn)生的。

在本系統中采用單-5V電源供電，可避免由多電壓供電帶來(lái)的潛在不穩定性，其設計示意圖如圖2所示。其中，1.8V提供給CPU和北橋所需的core電壓。3.3V為VIO電壓以及sdram等電路的供電電壓。為提高系統的可靠性，接在5V電源上的TVS管可實(shí)現電路過(guò)壓保護，而由二極管組成的電路可提供對3.3V和1.8V電源的掉電保護。

為實(shí)現板上DC-DC的轉換，可考慮采用LDO線(xiàn)性轉換電源或開(kāi)關(guān)電源。LDO成本遠低于開(kāi)關(guān)電源,但發(fā)熱量大，使用時(shí)需要較大的散熱面積，很難滿(mǎn)足PCl04主板的散熱和工業(yè)工作環(huán)境溫度的要求。因此本設計采用了TI公司的非隔離集成開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，該電源能正常工作在-40℃～85℃，占用空間小，可直接焊在PCB上使用。另外，由于為集成的產(chǎn)品，免除了用戶(hù)的調試,可靠性高，非常適合于嵌入式應用，但成本相對較高。

2．2復位電路

GT64240北橋芯片缺少對龍芯2號CPU進(jìn)行復位的功能支持，在配套使用時(shí)需設計CPU復位電路。同時(shí)由于在系統中采用了不同廠(chǎng)家的芯片，因此確定CPU及各個(gè)芯片之間的復位順序也是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，復位順序不正確將導致系統不能正常工作。龍芯2號的復位時(shí)序如圖3所示。為保證時(shí)鐘的穩定性，應使V∝(CPUIO電壓)穩定在3V以上至少lOOms后，再由復位電路向CPU發(fā)出VccOK信號，此后確保冷復位信號(ColdReset*)至少持續64K個(gè)系統時(shí)鐘周期，而軟復位信號(Reset*)應在冷復位信號無(wú)效后至少64個(gè)系統時(shí)鐘周期后置為無(wú)效。這樣可確保CPU能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

為了保證CPU正常的上電復位時(shí)序和各個(gè)系統芯片之間的復位順序，設計了如圖4所示的系統復位電路。該系統的核心為-EPLD器件EPM7128。電源監控芯片max708在檢測到輸入電壓V∝穩定時(shí)給出200ms左右的V∝OK信號，滿(mǎn)足系統時(shí)鐘穩定所需要的至少lOOms的時(shí)間。EPLD片內邏輯電路檢測到V∞OK信號后，內部計時(shí)電路開(kāi)始工作，準確地給出CPU和所有系統芯片的復位信號。

該方案對系統所有的復位信號統一管理，能確保所有復位信號的正確順序。EPLD的可重復編程性可方便后期調試和調整，具有很強的靈活性。片內多余的邏輯可用于系統所需的簡(jiǎn)單邏輯器件，避免了采用過(guò)多的分立邏輯器件，在提高系統可靠性的同時(shí)節省了PCB空間。

2．3時(shí)鐘電路及信號完整性

龍芯2號和GT64240北橋芯片最高工作外頻可達133MHz。為了達到這個(gè)要求，純凈、穩定的時(shí)鐘設計以及對關(guān)鍵的高速信號進(jìn)行信號完整性分析是保證整個(gè)系統可靠工作的前提。

為提高時(shí)鐘電路的穩定性，通過(guò)仿真確定了系統各時(shí)鐘特性阻抗和端接方式，并通過(guò)在布線(xiàn)時(shí)控制相關(guān)時(shí)鐘信號嚴格等長(cháng)來(lái)控制傳輸延遲。圖5所示是采用源端匹配方式、驅動(dòng)信號為133MPlus信號、板級時(shí)鐘阻抗為50Ω時(shí)．掃描匹配電阻從20D～70Ω、步進(jìn)為5Ω時(shí)的反射仿真波形。從圖中可以看出，所有時(shí)鐘波形信號都滿(mǎn)足單調性，但在某些區域有較大的過(guò)沖。限定過(guò)沖在300mV以?xún)?，匹配電阻值應?0Ω-55Ω之間，具體可由實(shí)際測試結果決定。仿真工具采用的是Cademe的PCBSI。用該工具同時(shí)也可對EMI、串擾進(jìn)行仿真。

除時(shí)鐘信號外，對所有信號也進(jìn)行了分析，確定了sysad總線(xiàn)和sdram總線(xiàn)等信號為系統的關(guān)鍵高速信號。對這些關(guān)鍵信號，由于板級布線(xiàn)密度很大，必須考慮串擾、過(guò)沖等可能發(fā)生的信號完整性問(wèn)題。這里采取了先期約束布線(xiàn)機制，針對不同的信號制定了相應的布線(xiàn)規范，包括等長(cháng)信號組、布線(xiàn)間距、最大最小布線(xiàn)長(cháng)度等。后期通過(guò)提取實(shí)際布線(xiàn)的拓撲結構進(jìn)行仿真，根據仿真結果進(jìn)行布線(xiàn)調整。后期的調試證明了這種方法的可行性。

由于充分考慮到設計中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，基于龍芯2號處理器的PC104Plus處理器模塊一次性投板并調試成功。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，能穩定運行中科院計算所為龍芯2號移植的Linux操作系統和相關(guān)的測試程序中，并達到系統設計的各項預期目標．現已成功應用于一航空電子視頻記錄儀中。經(jīng)過(guò)實(shí)際應用表明，該處理器模塊運行可靠，可推廣應用。