基于龍芯2F的車載和便攜設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　設(shè)計(jì)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(duì)車載和便攜設(shè)備的特點(diǎn)，在芯片選擇上主要突出低功耗和穩(wěn)定性；對(duì)直流電源部分進(jìn)行了優(yōu)化，提高了整個(gè)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(hào)完整性達(dá)到高頻電路的要求，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jì)方案?；邶埿?F[1，2] （LOONGSON-2F ）處理器的車載和便攜設(shè)備設(shè)計(jì)方案主要面向車載娛樂、超移動(dòng)設(shè)備（UMD）、移動(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(dú)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(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，加之CPU 使用國產(chǎn)芯片，具有功耗低、價(jià)格低廉的特性，該設(shè)計(jì)方案具有較高的應(yīng)用和參考價(jià)值。 

　　1． 龍芯2F 處理器的功能與特點(diǎn) 

　　本系統(tǒng)采用的龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器，是中國科學(xué)院計(jì)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(gè)采用了90nmCMOS 設(shè)計(jì)工藝，面積為35nm2，典型工作頻率800MHz 下實(shí)測功耗為4"5W ，最高工作頻率可達(dá)1G；最高浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒40/80 億次雙/單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，片內(nèi)集成了PCI/PCIX 等IO 控制器，并集成片上二級(jí)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(jì)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。 

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　　龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，并承擔(dān)所有數(shù)據(jù)的處理任務(wù)。系統(tǒng)通過ICS950220 時(shí)鐘合成器產(chǎn)生主板上各芯片所需的時(shí)鐘，同時(shí)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(kuò)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(kuò)展512KB Flash ROM 用于系統(tǒng)BIOS 存儲(chǔ)。 

　　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(jì)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(jì)，供給DDR2 和SM502 使用的1.8V 電源由3.3V 電源引入，分別由兩個(gè)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(shí)現(xiàn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，實(shí)測整個(gè)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)音頻接口（通過ALC203 芯片控制）、一個(gè)UBS1.1 接口、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232 串口和一個(gè)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(gè)USB2.0 接口。其中一路USB接口通過AU6331 讀卡機(jī)控制器芯片，提供一個(gè)SD/MMC 接口。 

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 　　3． 系統(tǒng)軟件 

　　本系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)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(shí)PMON2000 擁有少量行命令集，用于啟動(dòng)后對(duì)內(nèi)存的讀寫校驗(yàn)、板載Flash 的擦寫、IP設(shè)置、串口設(shè)置以及跟主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，包括上傳、下傳文件、接收主機(jī)下達(dá)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(gè)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(jì)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(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存（DIMM）條信息的讀取。并利用讀取到的信息對(duì)龍芯2F 處理器的DDR2 控制器進(jìn)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(hào)完整性設(shè)計(jì) 

　　由于整個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)的完整性有嚴(yán)格的要求。龍芯2F 處理器的DDR2 內(nèi)存總路線工作頻率高達(dá)300MHz ，這部分電路是高速電路設(shè)計(jì)的一個(gè)瓶頸，對(duì)這部分電路仿真的結(jié)果基本上可以反映出整個(gè)電路信號(hào)傳輸?shù)男Ч?。下面?strong>DDR2 控制信號(hào)為例，描述該問題采取的設(shè)計(jì)方法和流程。 

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)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(hào)的走線拓?fù)浣Y(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(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果波形，可確定獲得較好信號(hào)質(zhì)量的走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和匹配電路參數(shù)。完成PCB 布線后，再提取實(shí)際拓?fù)溥M(jìn)行仿真，提取后的拓?fù)湟妶D3 所示。此時(shí)模型已包括PCB 板的疊層和阻抗控制信息，并對(duì)實(shí)際過孔進(jìn)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(hào)質(zhì)量，同時(shí)driver 端的過沖現(xiàn)象也在可接受的范圍內(nèi)。最后在實(shí)際板極調(diào)試中再測量實(shí)際信號(hào)波形，通過調(diào)整匹配元件進(jìn)行微調(diào)來確保實(shí)際信號(hào)質(zhì)量的可靠性。實(shí)踐表明，基于這種方法和流程能減少信號(hào)完整性帶來的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，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(lì)信號(hào)為133MHz 周期信號(hào)。 

　　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(jì)過程，主要對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、信號(hào)的完整性設(shè)計(jì)、提高整機(jī)效率等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，既能獨(dú)立工作又提供了靈活的擴(kuò)展接口，具有很大的應(yīng)用前景。