基于Geode TMGX1的嵌入式系統設計

關(guān)鍵詞：信號完整性 信息家電 阻抗匹配

引言

近些年，嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，嵌入式應用深入金融、航空航天、電信、網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，并進(jìn)一步滲透到日常生活領(lǐng)域――信息家電。信息家電市場(chǎng)的日益發(fā)展需要高效、靈活的嵌入式解決方案。

美國國家半導體公司（NS）的Geode TMGX1處理器是一款專(zhuān)門(mén)針對信息家電市場(chǎng)的集成處理器，具有低功耗、高性能、低價(jià)格及X86體系的兼容性與可擴展能力。GX1與其協(xié)同芯片為瘦客戶(hù)機、交互式機頂盒以及個(gè)人Internet接入等信息家電應用提供了靈活、可擴展的解決方案。

1 GX1與CS5530

GX1處理器采用0.18μm CMOS工藝，典型功耗僅為0.8～1.2W（在1.6V/200MHz條件下為0.8W，在2.0V/300MHz條件下為1.2W），為X86體系中最低。除CPU內核與電源管理等通用部件外，還在片內集成了存儲管理單元、視頻控制單元、2D圖形加速單元和PCI總線(xiàn)主控器，有效地提高了系統可靠性、降低器件數量。圖1是其內部結構框圖。

根據不同的性能與功耗要求，可以選擇具有不同內核電壓與工作頻率的芯片，提高設計的靈活性。GX1內核為32位X86兼容內核，支持當前各種流行操作系統，可簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)投資。

CS5530協(xié)同芯片除提供通用南橋芯片PCI-to-ISA橋接功能（包括Ultra IDE接口、USB接口、通用I/O接口等）外，還與GX1處理器一起提供完整的電源管理和音頻、視頻加速功能，并且CS5530可直接與CRT顯示器和TFT顯示器接口。其內部結構框圖如圖2所示。

2 系統原理與結構

GX1處理器采用X86體系兼容的硬件結構，故此其應用系統構成與通常PC架構非常類(lèi)似。由于集成了內存控制器，GX1直接連接SDRAM模塊，無(wú)需相應的北橋芯片參與。除圖像數據外，作為PCI仲裁器，GX1與所有其它設備通過(guò)PCI總線(xiàn)連接。其與CS5530之間有專(zhuān)用的視頻通道，用來(lái)交換視頻圖像數據。

CS5530兼具了部分南、北橋功能，提供了系統大部分對接口功能：音、視頻接口和ISA總線(xiàn)接[]。系統BIOS和DOC均掛接在ISA總線(xiàn)上。

采用國家半導體PC97317芯片作為SUPER I/O，用來(lái)提供串行/并行接口、PS/2鍵盤(pán)、鼠標接口、紅外接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。系統框圖如圖3所示。

3 關(guān)鍵設計問(wèn)題

（1）SDRAM時(shí)鐘

為了提供良好的存儲器讀寫(xiě)特性，對于SDRAM時(shí)鐘有較嚴格的要求；

①時(shí)鐘信號之間長(cháng)度差小于0.13cm；

②時(shí)鐘走線(xiàn)寬度不小于0.2mm；

③時(shí)鐘走線(xiàn)必須在連續的地線(xiàn)平面之上，且必須是走在最靠近地平面的信號層。

此外，CPU的SDCLKOUT與SDCLKIN之間的時(shí)鐘環(huán)回線(xiàn)應滿(mǎn)足圖4要求。

另外，因為SDRAM的時(shí)鐘頻率很高，可達到100MHz，故SDRAM信號匹配非常重要。為保證高速信號的信號完整性，對于SDRAM接口信號均應加阻抗匹配措施，我們采用10Ω電阻串聯(lián)源端匹配的方式，效果良好。

（2）DOC

由于定位在嵌入式應用，雖然系統提供了IDE硬盤(pán)接口，但在最終使用時(shí)卻過(guò)于龐大，也不適應惡劣的嵌入式應用環(huán)境。我們使用電子盤(pán)――DOC（Diskk on Chip）作為操作系統載體。

圖5 DOC地址譯碼電路

DOC2000是M-System公司推出的帶TrueFFS文件系統的Flash存儲設備，容量從16MB到1GB；具有EPROM兼容的電接口特性和系統引導能力，支持多種操作系統，是目前廣泛使用的極具成本效益的嵌入式存儲載體。

DOC在系統內存占據8K窗口，必須把DOC映射到系統內存區，使系統在初始化時(shí)能掃描到DOC的引導塊，從而使系統能夠從DOC加載操作系統。所以，必須對其地址譯碼專(zhuān)門(mén)考慮，其譯碼電路如圖5所示。

（3）模擬視頻接口

GX1內含圖形加速單元，最高支持分辨率可達到12801024（8位色）或1024768（16位色）。

CS5530內部集成視頻數模轉換器（VDAC），可直接支持CRT和TFT平板顯示設備。基于成本考慮，我們選擇使用CRT監視器，其視頻接口是模擬電路部分。為保證高速視頻信號的完整性和穩定傳輸，在設計時(shí)，需要采取以下措施：對RGB信號加并行端接阻抗匹配和濾波處理，同時(shí)加二極管保護電路。圖6為其參考電路。

此外，在布線(xiàn)時(shí)應注意盡量與其它數字信號隔離，以減小干擾。

（4）以太網(wǎng)接口

由于系統要求高速聯(lián)網(wǎng)設備，我們提供最常用的10/100M自適應以太網(wǎng)接口。RTL8139C是目前業(yè)界使用最廣泛也是性?xún)r(jià)比較高的以太網(wǎng)控制器芯片。

圖6 模擬視頻接口電路

RTL8139C數據總線(xiàn)掛在PCI總線(xiàn)上，這部分設計比較簡(jiǎn)單。需要注意的是RJ45接口部分，由于其數據傳輸速度很高，為避免信號之間的相互串擾，在電路設計上需要采取一定的抗干擾措施，其參考電路如圖7所示。

4 軟件系統

由于系統與X86體系兼容，因此，其引導過(guò)程與通用PC類(lèi)似。國家半導體公司提供了完整的BIOS程序和相關(guān)的設備驅動(dòng)程序（包括Linux、Windows以及QNX、VxWorks等平臺）。

圖7 以太網(wǎng)接口

在當前現有的嵌入式操作系統中，Linux系統具有開(kāi)放、免費、可根據選擇Linux作為操作系統，并基于該系統平臺，開(kāi)發(fā)實(shí)現新的應用程序。將應用軟件連同操作系統寫(xiě)入DOC，就構成了完整的嵌入式系統。

5 結論

嵌入式系統設計是很復雜的系統工程，其應用千差萬(wàn)別，需要慎重考慮性能、功耗、成本及人機接口等各方面因素。基于GX1與CS5530的嵌入式系統作為X86體系的解決方案，對于STB（機頂盒）、WBT（基于Windows的終端）及PC架構的非PC設備等應用環(huán)境是一個(gè)比較好的選擇。