基于龍芯2F的車載和便攜設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計

　設(shè)計了一款基于國產(chǎn)處理器龍芯2F 的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要面向車載和便攜設(shè)備。針對車載和便攜設(shè)備的特點，在芯片選擇上主要突出低功耗和穩(wěn)定性；對直流電源部分進行了優(yōu)化，提高了整個系統(tǒng)的效率；在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，采用替代手段消除SM502芯片I2C 邏輯上的bug，使系統(tǒng)支持市場上所有類型的內(nèi)存條；為使系統(tǒng)的信號完整性達到高頻電路的要求，提出了相應(yīng)的設(shè)計方法和流程。 

　　0． 引言

　　近年來，車載和便攜式多媒體播放設(shè)備倍受人們追捧，競相推出多種設(shè)計方案?；邶埿?F[1，2] （LOONGSON-2F ）處理器的車載和便攜設(shè)備設(shè)計方案主要面向車載娛樂、超移動設(shè)備（UMD）、移動Internet 設(shè)備（MID）等高性能、低功耗嵌入式領(lǐng)域從事開發(fā)和生產(chǎn)的公司企業(yè)。該方案采用龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器為控制核心，根據(jù)車載和便攜設(shè)備工作環(huán)境和特點，采用SM502 [3]多功能顯示控制芯片，它能夠支持多種媒體格式，可實現(xiàn)上網(wǎng)、看電視、錄制和播放音樂等功能；板載FLASH 和DDR2 內(nèi)存，可獨立引導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)核工作，利用串口作為系統(tǒng)終端。也可通過板載的通用PCI 和LOCAL BUS 總路線接口進行系統(tǒng)擴展，方便用戶進行二次開發(fā)，加之CPU 使用國產(chǎn)芯片，具有功耗低、價格低廉的特性，該設(shè)計方案具有較高的應(yīng)用和參考價值。 

　　1． 龍芯2F 處理器的功能與特點 

　　本系統(tǒng)采用的龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器，是中國科學院計算技術(shù)研究所最新發(fā)布的一款64 位MIPSⅢ指令集的通用RISC 微處理器。該處理器在國內(nèi)首個采用了90nmCMOS 設(shè)計工藝，面積為35nm2，典型工作頻率800MHz 下實測功耗為4"5W ，最高工作頻率可達1G；最高浮點運算速度為每秒40/80 億次雙/單精度浮點運算，片內(nèi)集成了PCI/PCIX 等IO 控制器，并集成片上二級CACHE、DDR2 內(nèi)存控制器，非常適合高端嵌入式領(lǐng)域。 

　　2． 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。 

[!--empirenews.page--]

　　龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器為整個系統(tǒng)的控制中心，并承擔所有數(shù)據(jù)的處理任務(wù)。系統(tǒng)通過ICS950220 時鐘合成器產(chǎn)生主板上各芯片所需的時鐘，同時該芯片帶有看門狗功能。系統(tǒng)內(nèi)存是通過處理器內(nèi)部集成的DDR2 控制器擴展，考慮到PCB 印制板的面積和訪存更高的帶寬需求，采用4 片16bit 位寬的內(nèi)存顆粒方案，內(nèi)存容量取決于采用顆粒的容量，最大可支持1GB 內(nèi)存，其工作頻率為300MHz 。通過處理器提供的LOCAL BUS 擴展512KB Flash ROM 用于系統(tǒng)BIOS 存儲。 

　　2．1 系統(tǒng)電源 

　　無論是車載還是便攜設(shè)備均需需采用直流電源供電，因此，節(jié)能和和高效是電源設(shè)計的主題。圖1 的電源模塊可見，本系統(tǒng)主板采用了+5V 的直流適配器作為供電電源，供給CPU 使用的1.2V 和供給接口電路使用的3.3V 直流電源由于通過的電流比較大，均采用效率較高的開關(guān)電源。按照常規(guī)設(shè)計，供給DDR2 和SM502 使用的1.8V 電源由3.3V 電源引入，分別由兩個線性電源（LDO）產(chǎn)生，本系統(tǒng)均改成效率較高的開關(guān)電源實現(xiàn)，提高了整個系統(tǒng)的效率，實測整個系統(tǒng)的功耗控制在10W 以內(nèi)。 

　　2.2 系統(tǒng)接口 

　　1、系統(tǒng)通過多功能顯示控制芯片SM502 驅(qū)動各種接口，SM502 可通過PCI BUS 直接與處理器相連，支持2D 顯示加速，可提供：AC97 標準音頻接口（通過ALC203 芯片控制）、一個UBS1.1 接口、一個標準RS232 串口和一個調(diào)試串口（均由SP3232 芯片控制）、VGA 和LCD 顯示接口、ZV 視頻接口（由SSA7118 芯片控制）。 

　　2、系統(tǒng)通過PCI BUS 采用RTL8139D 作為以太網(wǎng)控制芯片，提供10/100M 以太網(wǎng)接口。

　　3、系統(tǒng)通過PCI BUS 采用uPD720102 作為USB 控制器芯片，提供三個USB2.0 接口。其中一路USB接口通過AU6331 讀卡機控制器芯片，提供一個SD/MMC 接口。 

[!--empirenews.page--]

 　　3． 系統(tǒng)軟件 

　　本系統(tǒng)運行在LINUX DEBIAN4.0 操作系統(tǒng)下，其內(nèi)核為LINUX 2.6.21。將Bootloarder–PMON2000 燒制在板載的BIOS ROM 中，加電后自動完成處理器、緩存、內(nèi)存控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器等初始化工作。同時PMON2000 擁有少量行命令集，用于啟動后對內(nèi)存的讀寫校驗、板載Flash 的擦寫、IP設(shè)置、串口設(shè)置以及跟主機之間進行數(shù)據(jù)通信，包括上傳、下傳文件、接收主機下達指令等等。通過PMON2000的內(nèi)部命令將LINUX 2.6.21 內(nèi)核裝入內(nèi)存。 

　　在內(nèi)存條上有一個ROM,里面保存著內(nèi)存大小、行地址數(shù)、列地址數(shù)、內(nèi)存的bank 數(shù)等信息，這些信息可以通過I2C 總線來訪問到。作為一種通用設(shè)計方案，要求能支持各種不同類型的內(nèi)存條。而在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)SM502 芯片的I2C 邏輯有bug 。因此采用SM502 的gpio 來模擬I2C 時序，實現(xiàn)對內(nèi)存（DIMM）條信息的讀取。并利用讀取到的信息對龍芯2F 處理器的DDR2 控制器進行配置，收到良好的效果。經(jīng)測試，目前該系統(tǒng)支持市場上的所有類型的內(nèi)存條。 

　　4．信號完整性設(shè)計 

　　由于整個系統(tǒng)模塊電路體積較小，而電路的工作頻率較高，因此整個設(shè)計對信號的完整性有嚴格的要求。龍芯2F 處理器的DDR2 內(nèi)存總路線工作頻率高達300MHz ，這部分電路是高速電路設(shè)計的一個瓶頸，對這部分電路仿真的結(jié)果基本上可以反映出整個電路信號傳輸?shù)男Ч?。下面?strong>DDR2 控制信號為例，描述該問題采取的設(shè)計方法和流程。 

　　在實際設(shè)計中，首先利用龍芯2F 的IBIS 模型和仿真工具[4]預(yù)先確定關(guān)鍵信號的走線拓撲結(jié)構(gòu)和匹配方式，由此來制定PCB 布線的約束。先提取PCB 布線前的仿真模型，通過觀察對應(yīng)的仿真結(jié)果波形，可確定獲得較好信號質(zhì)量的走線拓撲結(jié)構(gòu)和匹配電路參數(shù)。完成PCB 布線后，再提取實際拓撲進行仿真，提取后的拓撲見圖3 所示。此時模型已包括PCB 板的疊層和阻抗控制信息，并對實際過孔進行了建模。通過調(diào)整走線并觀察仿真結(jié)果可獲得最終最佳的走線。圖4 給出了調(diào)整后的仿真結(jié)果，可以觀察到在receiver 端獲得了較好的信號質(zhì)量，同時driver 端的過沖現(xiàn)象也在可接受的范圍內(nèi)。最后在實際板極調(diào)試中再測量實際信號波形，通過調(diào)整匹配元件進行微調(diào)來確保實際信號質(zhì)量的可靠性。實踐表明，基于這種方法和流程能減少信號完整性帶來的設(shè)計風險，降低調(diào)試難度。本文稿中所有仿真IC modeling 參數(shù)為typical，driver 的激勵信號為133MHz 周期信號。 

　　5．小結(jié) 

　　本文介紹了基于龍芯2F 處理器的車載和便攜設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計過程，主要對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、信號的完整性設(shè)計、提高整機效率等關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，既能獨立工作又提供了靈活的擴展接口，具有很大的應(yīng)用前景。