摘要：介紹了基于龍芯2號的PC104 Plus處理器模塊的設(shè)計方案。該方案以龍芯2號為核心，符合PC104 Plus總線規(guī)范，并針對模塊中電源設(shè)計、復(fù)住時序、時鐘電路及信號完整性等關(guān)鍵問題給出了相應(yīng)的解決方法?；谠摲桨傅奶幚砥髂K已研制成功并應(yīng)用于一航空電子視頻記錄儀中。
關(guān)鍵詞：龍芯2號PC104 Plus總線嵌入式計算機信號完整性
PC104 Plus標準由IEEE標準化組織于1997年制定，對原PC104標準進行了擴展。PC104 Plus總線由兩部分組成，分別與PCI總線和ISA總線完全兼容。該標準制定了一種體積小、功耗低、連接靈活的嵌入式總線規(guī)范。由于其具有超小型、高集成度、高可靠性等特點，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、軍事等領(lǐng)域中。
龍芯2號是中國科學院計算技術(shù)研究所自主研發(fā)的國內(nèi)首款64位高性能通用CPU，已經(jīng)批量生產(chǎn)的龍芯2C （Godson 2C]CPU經(jīng)實測性能達到了奔騰3系列500MHz水平。基于龍芯2號設(shè)計相應(yīng)的PC104 Plus處理器模塊，將填補我國通用處理器在PCI04 Plus產(chǎn)品領(lǐng)域的空白，為國產(chǎn)通用處理器的應(yīng)用提供一個新的途徑。對比市場上基于x86體系結(jié)構(gòu)的對應(yīng)產(chǎn)品，龍芯2號由于采用了RISC體系結(jié)構(gòu)，具有高性能、低功耗等特點，因此基于龍芯2號的PC104 Plus處理器模塊將有很大的優(yōu)勢和很高的性價比。
1 系統(tǒng)設(shè)計
PC104 Plus處理器模塊是一個小型化但功能完整的CPU主板系統(tǒng)，在設(shè)計時必須為龍芯2號選擇相應(yīng)的北橋和南橋等配套芯片。龍芯2號采用了工業(yè)標準的64位SYSAD系統(tǒng)總線接口，因此相應(yīng)地選用了Marvell公司的GT64240A作為JPC104 Plus處理器模塊中龍芯2號的配套北橋。在系統(tǒng)中，南橋采用了Intel的82371芯片，該芯片通過PCI總線與系統(tǒng)北橋相連接，可提供兩個IDE接口、兩個USB接口并對外提供ISA總線接口。SUPERIO芯片選用了Winbond的W83977，通過ISA總線與南橋連接。系統(tǒng)完整的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
從圖l中可以看出．龍芯2號與北橋直接用SYSAD64總線連接，并從北橋的SDRAM接口擴展了一個SODIMM槽，可直接使用市場上的筆記本內(nèi)存條。方便用戶進行內(nèi)存升級和更換，最大可支持到256M。BIOS啟動電路從北橋的32位DEVICE口擴展，可支持8位F1lASH或EEPROM為BIOS啟動芯片。GT64240支持兩個PCI口，在設(shè)計中采用了PCI0連接系統(tǒng)南橋芯片。PCI 1連接到PCI Plus插座，用于擴展其他PCl04 Plus模塊。南橋和superIO提供了系統(tǒng)的外設(shè)接口，并同時將ISA總線擴展到PC104插座。為了提高系統(tǒng)的可靠性，通過北橋的MPP端口(多功能口)擴展了看門狗電路和揚聲器電路，可用于系統(tǒng)恢復(fù)和報警。
2 關(guān)鍵技術(shù)
PC104 Plus系統(tǒng)通常用于對應(yīng)用空間有較高要求的環(huán)境或工業(yè)、野外等惡劣環(huán)境中，因此要求模塊體積小并且可靠性高。以下對系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。
2．1 電源方案設(shè)計
電源是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，電源的性能在很大程度上將直接影響系統(tǒng)的可靠運行。實踐經(jīng)驗表明，在工業(yè)控制計算機因外部干擾引起的故障中，80％以上都是因為電源的原因產(chǎn)生的。
在本系統(tǒng)中采用單-5V電源供電，可避免由多電壓供電帶來的潛在不穩(wěn)定性，其設(shè)計示意圖如圖2所示。其中，1.8V提供給CPU和北橋所需的core電壓。3.3V為VIO電壓以及sdram等電路的供電電壓。為提高系統(tǒng)的可靠性，接在5V電源上的TVS管可實現(xiàn)電路過壓保護，而由二極管組成的電路可提供對3.3V和1.8V電源的掉電保護。
為實現(xiàn)板上DC-DC的轉(zhuǎn)換，可考慮采用LDO線性轉(zhuǎn)換電源或開關(guān)電源。LDO成本遠低于開關(guān)電源,但發(fā)熱量大，使用時需要較大的散熱面積，很難滿足PCl04主板的散熱和工業(yè)工作環(huán)境溫度的要求。因此本設(shè)計采用了TI公司的非隔離集成開關(guān)電源產(chǎn)品，該電源能正常工作在-40℃～85℃，占用空間小，可直接焊在PCB上使用。另外，由于為集成的產(chǎn)品，免除了用戶的調(diào)試,可靠性高，非常適合于嵌入式應(yīng)用，但成本相對較高。
2．2 復(fù)位電路
GT64240北橋芯片缺少對龍芯2號CPU進行復(fù)位的功能支持，在配套使用時需設(shè)計CPU復(fù)位電路。同時由于在系統(tǒng)中采用了不同廠家的芯片，因此確定CPU及各個芯片之間的復(fù)位順序也是一個很關(guān)鍵的問題，復(fù)位順序不正確將導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。龍芯2號的復(fù)位時序如圖3所示。為保證時鐘的穩(wěn)定性，應(yīng)使V∝(CPU IO電壓)穩(wěn)定在3V以上至少lOOms后，再由復(fù)位電路向CPU發(fā)出VccOK信號，此后確保冷復(fù)位信號(ColdReset*)至少持續(xù)64K個系統(tǒng)時鐘周期，而軟復(fù)位信號(Reset*)應(yīng)在冷復(fù)位信號無效后至少64個系統(tǒng)時鐘周期后置為無效。這樣可確保CPU能進入正常工作狀態(tài)。
為了保證CPU正常的上電復(fù)位時序和各個系統(tǒng)芯片之間的復(fù)位順序，設(shè)計了如圖4所示的系統(tǒng)復(fù)位電路。該系統(tǒng)的核心為-EPLD器件EPM7128。電源監(jiān)控芯片max708在檢測到輸入電壓V∝穩(wěn)定時給出200ms左右的V∝OK信號，滿足系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定所需要的至少lOOms的時間。EPLD片內(nèi)邏輯電路檢測到V∞OK信號后，內(nèi)部計時電路開始工作，準確地給出CPU和所有系統(tǒng)芯片的復(fù)位信號。
該方案對系統(tǒng)所有的復(fù)位信號統(tǒng)一管理，能確保所有復(fù)位信號的正確順序。EPLD的可重復(fù)編程性可方便后期調(diào)試和調(diào)整，具有很強的靈活性。片內(nèi)多余的邏輯可用于系統(tǒng)所需的簡單邏輯器件，避免了采用過多的分立邏輯器件，在提高系統(tǒng)可靠性的同時節(jié)省了PCB空間。
2．3 時鐘電路及信號完整性
龍芯2號和GT64240北橋芯片最高工作外頻可達133MHz。為了達到這個要求，純凈、穩(wěn)定的時鐘設(shè)計以及對關(guān)鍵的高速信號進行信號完整性分析是保證整個系統(tǒng)可靠工作的前提。
為提高時鐘電路的穩(wěn)定性，通過仿真確定了系統(tǒng)各時鐘特性阻抗和端接方式，并通過在布線時控制相關(guān)時鐘信號嚴格等長來控制傳輸延遲。圖5所示是采用源端匹配方式、驅(qū)動信號為133M Plus信號、板級時鐘阻抗為50Ω時．掃描匹配電阻從20D～70Ω、步進為5Ω時的反射仿真波形。從圖中可以看出，所有時鐘波形信號都滿足單調(diào)性，但在某些區(qū)域有較大的過沖。限定過沖在300mV以內(nèi)，匹配電阻值應(yīng)在40Ω-55Ω之間，具體可由實際測試結(jié)果決定。仿真工具采用的是Cademe的PCB SI。用該工具同時也可對EMI、串擾進行仿真。
除時鐘信號外，對所有信號也進行了分析，確定了sysad總線和sdram總線等信號為系統(tǒng)的關(guān)鍵高速信號。對這些關(guān)鍵信號，由于板級布線密度很大，必須考慮串擾、過沖等可能發(fā)生的信號完整性問題。這里采取了先期約束布線機制，針對不同的信號制定了相應(yīng)的布線規(guī)范，包括等長信號組、布線間距、最大最小布線長度等。后期通過提取實際布線的拓撲結(jié)構(gòu)進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進行布線調(diào)整。后期的調(diào)試證明了這種方法的可行性。
由于充分考慮到設(shè)計中的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于龍芯2號處理器的PC104 Plus處理器模塊一次性投板并調(diào)試成功。經(jīng)過實際測試，能穩(wěn)定運行中科院計算所為龍芯2號移植的Linux操作系統(tǒng)和相關(guān)的測試程序中，并達到系統(tǒng)設(shè)計的各項預(yù)期目標．現(xiàn)已成功應(yīng)用于一航空電子視頻記錄儀中。經(jīng)過實際應(yīng)用表明，該處理器模塊運行可靠，可推廣應(yīng)用。
