基于國產(chǎn)龍芯GS32I的小系統的硬件設計

一． 引言

目前，嵌入式系統已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)控制，軍事國防，消費類(lèi)電子產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò )通信等，但大部分領(lǐng)域的應用都是基于國外各大廠(chǎng)商的嵌入式處理器。在嵌入式領(lǐng)域使用國產(chǎn)芯片，走國產(chǎn)化道路已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。目前國內的芯片主要有星光系列、漢芯系列、神威系列、青鳥(niǎo)嵌入式芯片、方舟系列、龍芯系列等，這些芯片各有自己的特點(diǎn)。

本設計采用了龍芯系列的GS32I SoC處理器，探討并設計如何構造一個(gè)小型嵌入式硬件系統，同時(shí)兼顧科研與應用兩方面的要求，在該平臺的基礎上可以連接各種外設進(jìn)行嵌入式算法的實(shí)驗。該系統經(jīng)簡(jiǎn)單修改能方便地應用在軍事、工業(yè)控制、數據采集等領(lǐng)域。

二． 芯片簡(jiǎn)介

目前龍芯系列微處理器有龍芯1號，龍芯2號微處理器。龍芯2號集成了橋芯片，采用分離的32位地址/數據總線(xiàn)，因此本設計采用基于龍芯2號的GS32I SoC處理器。

GS32I高集成系統設備，提供了高帶寬的存儲總線(xiàn)，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器；48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專(zhuān)用，可以多路復用，以便在需要的時(shí)候能提供額外的功能；33/66MHz、32位PCI控制器（兼容PCI2.2）；兩個(gè)10/100M以太網(wǎng)控制器；通用串行總線(xiàn)（USB）主機及裝置控制器，兩個(gè)通用異步收發(fā)器，一個(gè)AC97控制器，一個(gè)PCMCIA控制器。GS32I處理器內部還實(shí)現了與MIPS32兼容的基于TLB的虛擬地址轉換單元、例外機制、中斷機制、指令控制、時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。GS32I提供了強健的電源管理，有空閑和睡眠兩種省電模式，還提供有EJTAG接口，用于系統連續檢查。

三． 小系統的設計

GS32I總線(xiàn)采用系統總線(xiàn)（SBUS）與存儲器和外部設備通信。SBUS是GS32I處理器內部的36位物理地址和32位數據地址總線(xiàn)。需要高帶寬或者需要離CPU近的設備連到SBUS總線(xiàn)，包括存儲器控制器（SDRAM， FLASH/SRAM）、32位PCI總線(xiàn)接口控制器、DMA 控制器、USB1.1控制器和以太網(wǎng)控制器。不需要高帶寬連接的設備均連至片上外部總線(xiàn)PBUS，外部總線(xiàn)的頻率始終是系統總線(xiàn)(SBUS)頻率的一半。PBUS設備包括電源控制單元、中斷控制器、時(shí)鐘定時(shí)器、通用I/O、UART、AC97控制器。

1． 系統總體設計

小系統硬件功能框圖如圖1所示：

圖1 總體框圖

系統設計包括CPU啟動(dòng)和復位電路以及外部I/O設備的地址擴展； 包括FLASH和SRAM在內的存儲系統的設計；RS232串口；用于人機交互的44小鍵盤(pán)和4位LED數碼管，另外還提供了八路開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出、A/D和D/A轉換器以及用來(lái)實(shí)驗和測試的EJTAG接口等。

2. 系統的啟動(dòng)與復位

龍芯GS32I支持16位和32位啟動(dòng)。管腳 ROMSEL和ROMSIZE的狀態(tài)決定了CPU啟動(dòng)ROM的寬度和類(lèi)型，此表如下所示：

表1:

基于系統國產(chǎn)化的需求，使用免費開(kāi)放源代碼的Linux操作系統便于實(shí)現國產(chǎn)化。為了方便其嵌入，本系統設置為32位FLASH啟動(dòng)，即把ROMSEL和ROMSIZE都置為低電平。啟動(dòng)時(shí)，若ROMSEL為低電平，則RCSO#缺省設置為有效，并且對Ox0 1FCO 0000使能，CPU從物理地址Ox0 1FCO 0000地址開(kāi)始執行程序。因此，FLASH或ROM的起始地址應該通過(guò)RCS0#映射到此處。系統復位模塊提供GS32I處理器的硬件復位和軟復位。當管腳VDDXOK和RESETP#都有正電平跳變時(shí)，硬件復位有效，這一般在系統加電時(shí)產(chǎn)生。

若電源供電正常，且VDDXOK保持，當RESETP#發(fā)生正電平跳變時(shí)，軟件復位有效。這種復位對一些寄存器，特別是系統控制塊寄存器沒(méi)有影響。復位芯片采用可監視供電電源的低功耗芯片MAX811SU，電路原理如下圖所示：

圖2 RESET電路

3. 存儲系統的設計

GS32I提供了高帶寬的存儲總線(xiàn)，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器。SRAM/Flash EPROM控制器可以支持FLASH 、SRAM、LCD 、PCMCIA和外部I/O設備等。

針對存儲容量要求比較低的小型嵌入式系統，SRAM設計為16M bit，FLASH設計為64M bit，已能夠滿(mǎn)足應用需求。SRAM/Flash EPROM控制器有四個(gè)可編程的片選信號RCS0#～RCS3#，本文將RCSO#，RCS1#用于FLASH和SRAM，RCS2#用做對外部I/O設備的地址擴展。

本設計采用了2片Intel公司的28F320C3 FLASH，作為系統ROM區，存放操作系統和用戶(hù)應用程序；兩片ISSI公司的IS61LV51216 SRAM，作為系統RAM區，存放系統數據和用戶(hù)數據。其中RCS0#用于FLASH的片選信號，與FLASH的CS#連接，RCS1#用于SRAM的片選信號。關(guān)于存儲器的硬件設計示意圖如圖所示：

圖3 存儲系統的硬件設計示意圖

⑴ FLASH接口設計及相關(guān)寄存器的設計

28F320C3 FLASH的存儲容量為2M16 bit。由于SRAM/Flash EPROM控制器設置為32位總線(xiàn)寬度，使用兩片28F320C3 FLASH擴展為32位總線(xiàn)寬度，地址線(xiàn)連接至GS32I地址總線(xiàn)的RAD2～RAD22，每次讀取四個(gè)字節； GS32I復位后起始地址是 0x0 1FC0 0000，FLASH的地址被裝載到此處，每個(gè)片選信號的地址映射范圍是通過(guò)設置片選地址寄存器mem_staddr0來(lái)實(shí)現的，片選地址寄存器mem_staddr0的格式如下所示：

當E位置為1并且滿(mǎn)足條件“(physical_addrCSMASK)==CSBA”時(shí)，片選信號將變?yōu)橛行?。physical_addr是內部系統總線(xiàn)作為輸出的實(shí)際的36位物理地址，CSBA用來(lái)指定這個(gè)片選信號的物理基地址的31：18位，CMASK用來(lái)指定CSBA的哪些位被用來(lái)譯碼片選信號。CSBA的高四位，也就是35：32位由mem_stcfg0寄存器的DTY域來(lái)決定。本系統中，mem_stcfg0寄存器的DTY域設置為3，則對應的高四位35：32位的值為0000B，CSBA設置為0x07F0，CMASK設置為0x3FF0這樣FLASH的地址就被映射到0x0 1FC0 0000―0x0 1FFF FFFF。

FLASH最快讀取速度為70ns， CPU系統總線(xiàn)周期為10ns（100MHz），因此在讀取FLASH時(shí)需要插入等待狀態(tài)，通過(guò)設置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0來(lái)插入等待周期。靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0的格式為：

Ta域為數據有效時(shí)片選信號要求插入的周期數，考慮到系統的穩定性，根據FLASH的讀取參數，插入7個(gè)等待周期，因此Ta域設置為7。Ta域默認值為29，在選取啟動(dòng)ROM芯片時(shí)，若芯片讀取參數需要插入的等待周期超過(guò)29，則這種芯片不可用。Tcsh域用來(lái)指定在兩次訪(fǎng)問(wèn)期間片選信號保持的時(shí)鐘周期數，這里設置為0。

⑵ SRAM接口設計及相關(guān)寄存器的設計

SRAM的存儲容量設計為512K32位，可使用兩片IS61LV51216 SRAM（512K16）通過(guò)位擴展實(shí)現。將RCS1#連接到SRAM的片選信號CS#上，地址線(xiàn)連接至GS32I地址總線(xiàn)的RAD2～RAD20，地址范圍是通過(guò)設置片選地址寄存器mem_staddr1來(lái)映射的，設置方法與mem_staddr0的實(shí)現相同。

SRAM時(shí)序與CPU的配合是通過(guò)設置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime1來(lái)完成的，mem_sttime1的格式與的mem_sttime0相同。IS61LV51216 SRAM的讀寫(xiě)速度最快為10ns, 片選信號RCS1#插入一個(gè)等待周期，Ta域設置為1，Tcsh域設置為0。對于SRAM的寫(xiě)入，與其相關(guān)的域有Twcs，用來(lái)指定寫(xiě)脈沖RWE#后片選信號RCS1#保持的時(shí)鐘周期數， Tcsw用來(lái)指定片選信號RCS1#有效后的幾個(gè)時(shí)鐘周期插入RWE#，Twp用來(lái)指定RWE#持續的時(shí)鐘周期數。根據SRAM的參數和SRAM的讀寫(xiě)時(shí)序，本設計中，Twcs，Twp都設置為0，Tcsw設置為0000b，這樣使SRAM與CPU的時(shí)序能夠配合且保證系統的穩定性。設置完成后，SRAM的讀寫(xiě)時(shí)序如下圖所示：

圖4 SRAM讀寫(xiě)時(shí)序圖

4．其他外部設備的設計

GS32I處理器提供48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專(zhuān)用，48個(gè)GPIO中的32個(gè)由主GPIO塊控制，另外16個(gè)是次級GPIO口。每個(gè)GPIO口可以被配置作為輸入或輸出，并且能夠連接到內部中斷控制器對輸入的信號產(chǎn)生一個(gè)中斷。本設計中采用GPIO管腳作為外設的數據信號和控制信號。

(1) 串口的設計

RS232收發(fā)器使用MAXIM公司的MAX3232，采用最簡(jiǎn)單的三線(xiàn)制接法，即地、接收數據和發(fā)送數據三腳相連，原理圖如下所示：

圖5 串口電路原理圖

(2) 鍵盤(pán)驅動(dòng)和數碼顯示驅動(dòng)

44鍵盤(pán)和四位LED顯示用于人機交互。44小鍵盤(pán)采用專(zhuān)用的鍵盤(pán)譯碼芯片74C922，中斷方式連接，通過(guò)GPIO1觸發(fā)中斷。顯示模塊是四位共陰極LED七段數碼管，段碼通過(guò)共陰極數碼管驅動(dòng)器74LS248驅動(dòng)，位碼用74LS373寄存器送數據。這個(gè)設計比較簡(jiǎn)單，限于篇幅，略去原理圖。

(3)A/D和D/A轉換模塊的設計

A/D 和D/A使用封裝小，功耗低，且能滿(mǎn)足高速采樣系統的串行轉換器，這樣適合嵌入式系統的要求。串行A/D和D/A轉換器發(fā)送與接收數據是通過(guò)GS32I的GPIO口來(lái)實(shí)現的。本設計中用次級GPIO口作為串行數據的輸入輸出，主GPIO產(chǎn)生中斷。

A/D轉換器使用的是AD 公司的高速12 位A/D 轉換器AD7896， 轉換速率為100kHz, 單電源供電(2.7V～ 5.5V )。首先通過(guò)八選一開(kāi)關(guān)74HC4351輸入模擬量，通過(guò)GPIO口GPIO2O2寫(xiě)CVRT#W為低電平，開(kāi)始模數轉換。由于CVRT#信號要求至少保持40ns，所以GPIO2O2通過(guò)74LS123展寬為40ns后再輸入至CVRT#。轉換完成后，通過(guò)GPIO0信號觸發(fā)中斷，CPU通過(guò)GPIO口的GPIO201串行接收數據，整個(gè)轉換周期只需10us。

D/A轉換器采用12位數模轉換器AD8300，GS32I通過(guò)GPIO口串行發(fā)送數據到AD8300。由于A(yíng)D8300接收12位數據要求CS#至少保持720ns，所以提供片選的GPIO207通過(guò)74LS123后再接至AD8300的CS#端。數據發(fā)送完成后，通過(guò)GPIO口GPIO206發(fā)送一個(gè)信號到AD8300的LD#，把串行輸入寄存器的數據送到AD8300的DAC寄存器，開(kāi)始進(jìn)行數模轉換。

此外，GS32I根據 MIPS EJTAG 2.5規范實(shí)現了EJTAG，并提供其外部接口。從而實(shí)現調試和執行調試能力的軟硬件子系統。

四. 結束語(yǔ)

對于使用國產(chǎn)芯片開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品的研究在我國還是剛剛起步，可以借鑒的開(kāi)發(fā)資料和經(jīng)驗還不多見(jiàn)，希望本文所介紹的基于龍芯GS32I小系統的硬件設計可以對使用國產(chǎn)芯片進(jìn)行嵌入式研究的人員具有一定的參考價(jià)值。

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：使用龍芯GS32I自行設計了嵌入式開(kāi)發(fā)板，選擇嵌入式Linux操作系統，配合相關(guān)驅動(dòng)程序和上層應用程序，可以實(shí)現各種電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。使用國產(chǎn)芯片開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在政府部門(mén)、軍事、國防等安全性較高的領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

參考文獻

1． 基于嵌入式系統的虛擬儀器設計，程興亞，《微計算機信息》2004年第12期
2． GS32I_NC_TVIA5005硬件手冊 北京神州龍芯集成電路有限公司 2004
3． http://www.blxcpu.com 北京神州龍芯集成電路有限公司 2005-07-1
4． GS32I^TM Processor from BLX Data Sheet北京神州龍芯集成電路有限公司 2004