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摘 要：設計了一款基于國產處理器龍芯2F 的嵌入式應用系統，該系統主要面向車載和便攜設備。針對車載和便攜設備的特點，在芯片選擇上主要突出低功耗和穩定性；對直流電源部分進行了優化，提高了整個系統的效率；在系統的調試過程中，采用替代手段消除SM502芯片I2C 邏輯上的bug，使系統支持市場上所有類型的內存條；為使系統的信號完整性達到高頻電路的要求，提出了相應的設計方法和流程。 0． 引言近年來，車載和便攜式多媒體播放設備倍受人們追捧，競相推出多種設計方案。基于龍芯2F[1，2] （LOONGSON-2F ）處理器的車載和便攜設備設計方案主要面向車載娛樂、超移動設備（UMD）、移動Internet 設備（MID）等高性能、低功耗嵌入式領域從事開發和生產的公司企業。該方案采用龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器為控制核心，根據車載和便攜設備工作環境和特點，采用SM502 [3]多功能顯示控制芯片，它能夠支持多種媒體格式，可實現上網、看電視、錄制和播放音樂等功能；板載FLASH 和DDR2 內存，可獨立引導系統內核工作，利用串口作為系統終端。也可通過板載的通用PCI 和LOCAL BUS 總路線接口進行系統擴展，方便用戶進行二次開發，加之CPU 使用國產芯片，具有功耗低、價格低廉的特性，該設計方案具有較高的應用和參考價值。 1． 龍芯2F 處理器的功能與特點 本系統采用的龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器，是中國科學院計算技術研究所最新發布的一款64 位MIPSⅢ指令集的通用RISC 微處理器。該處理器在國內首個采用了90nmCMOS 設計工藝，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，片內集成了PCI/PCIX 等IO 控制器，并集成片上二級CACHE、DDR2 內存控制器，非常適合高端嵌入式領域。 2． 系統硬件結構設計系統的結構框架如圖1 所示。 龍芯2F（LOONGSON-2F ）處理器為整個系統的控制中心，并承擔所有數據的處理任務。系統通過ICS950220 時鐘合成器產生主板上各芯片所需的時鐘，同時該芯片帶有看門狗功能。系統內存是通過處理器內部集成的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 位寬的內存顆粒方案，內存容量取決于采用顆粒的容量，最大可支持1GB 內存，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BIOS 存儲。 2．1 系統電源 無論是車載還是便攜設備均需需采用直流電源供電，因此，節能和和高效是電源設計的主題。圖1 的電源模塊可見，本系統主板采用了+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電源。按照常規設計，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）產生，本系統均改成效率較高的開關電源實現，提高了整個系統的效率，實測整個系統的功耗控制在10W 以內。 2 系統接口 1、系統通過多功能顯示控制芯片SM502 驅動各種接口，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、系統通過PCI BUS 采用RTL8139D 作為以太網控制芯片，提供10/100M 以太網接口。3、系統通過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。 3． 系統軟件 本系統運行在LINUX DEBIAN4.0 操作系統下，其內核為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、內存控制器、網絡控制器等初始化工作。同時PMON2000 擁有少量行命令集，用于啟動后對內存的讀寫校驗、板載Flash 的擦寫、IP設置、串口設置以及跟主機之間進行數據通信，包括上傳、下傳文件、接收主機下達指令等等。通過PMON2000的內部命令將LINUX 2.6.21 內核裝入內存。 在內存條上有一個ROM,里面保存著內存大小、行地址數、列地址數、內存的bank 數等信息，這些信息可以通過I2C 總線來訪問到。作為一種通用設計方案，要求能支持各種不同類型的內存條。而在系統的調試過程中，我們發現SM502 芯片的I2C 邏輯有bug 。因此采用SM502 的gpio 來模擬I2C 時序，實現對內存（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。經測試，目前該系統支持市場上的所有類型的內存條。 4．信號完整性設計 由于整個系統模塊電路體積較小，而電路的工作頻率較高，因此整個設計對信號的完整性有嚴格的要求。龍芯2F 處理器的DDR2 內存總路線工作頻率高達300MHz ，這部分電路是高速電路設計的一個瓶頸，對這部分電路仿真的結果基本上可以反映出整個電路信號傳輸的效果。下面以DDR2 控制信號為例，描述該問題采取的設計方法和流程。 在實際設計中，首先利用龍芯2F 的IBIS 模型和仿真工具[4]預先確定關鍵信號的走線拓撲結構和匹配方式，由此來制定PCB 布線的約束。先提取PCB 布線前的仿真模型，通過觀察對應的仿真結果波形，可確定獲得較好信號質量的走線拓撲結構和匹配電路參數。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。通過調整走線并觀察仿真結果可獲得最終最佳的走線。圖4 給出了調整后的仿真結果，可以觀察到在receiver 端獲得了較好的信號質量，同時driver 端的過沖現象也在可接受的范圍內。最后在實際板極調試中再測量實際信號波形，通過調整匹配元件進行微調來確保實際信號質量的可靠性。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計風險，降低調試難度。本文稿中所有仿真IC modeling 參數為typical，driver 的激勵信號為133MHz 周期信號。 6．小結 本文介紹了基于龍芯2F 處理器的車載和便攜設備系統設計過程，主要對系統硬件結構、軟件系統、信號的完整性設計、提高整機效率等關鍵技術進行了闡述。該系統結構緊湊，既能獨立工作又提供了靈活的擴展接口，具有很大的應用前景。 |
