車載和便攜設(shè)備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

1． 龍芯2F 措置器的功能與特點(diǎn)

　　本系統(tǒng)采用的龍芯2F（LOONGSON-2F ）措置器，是中國科學(xué)院計較手藝研究所最新發(fā)布的一款64 位MIPSⅢ指令集的通用RISC 微措置器。該措置器在國內(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(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 節(jié)制器，并集成片上二級CACHE、DDR2 內(nèi)存節(jié)制器，很是適合高端嵌入式規(guī)模。

　　2． 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

龍芯2F（LOONGSON-2F ）措置器為整個系統(tǒng)的節(jié)制中心，并承擔(dān)所稀有據(jù)的措置使命。系統(tǒng)經(jīng)由過程ICS950220 時鐘合成器發(fā)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)存是經(jīng)由過程措置器內(nèi)部集成的DDR2 節(jié)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，最年夜可撐持1GB 內(nèi)存，其工作頻率為300MHz 。經(jīng)由過程措置器供給的LOCAL BUS 擴(kuò)展512KB Flash ROM 用于系統(tǒng)BIOS 存儲。

　　2．1 系統(tǒng)電源

　　無論是車載仍是便攜設(shè)備均需需采用直流電源供電，是以，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 直流電源因為經(jīng)由過程的電流斗勁年夜，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，分袂由兩個線性電源（LDO）發(fā)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)的功耗節(jié)制在10W 以內(nèi)。

　　2 系統(tǒng)接口

　　1、系統(tǒng)經(jīng)由過程多功能顯示節(jié)制芯片SM502 驅(qū)動各類接口，SM502 可經(jīng)由過程PCI BUS 直接與措置器相連，撐持2D 顯示加速，可供給：AC97 尺度音頻接口（經(jīng)由過程ALC203 芯片節(jié)制）、一個UBS1.1 接口、一個尺度RS232 串口和一個調(diào)試串口（均由SP3232 芯片節(jié)制）、VGA 和LCD 顯示接口、ZV 視頻接口（由SSA7118 芯片節(jié)制）。

　　2、系統(tǒng)經(jīng)由過程PCI BUS 采用RTL8139D 作為以太網(wǎng)節(jié)制芯片，供給10/100M 以太網(wǎng)接口。3、系統(tǒng)經(jīng)由過程PCI BUS 采用uPD720102 作為USB 節(jié)制器芯片，供給三個USB2.0 接口。其中一路USB接口經(jīng)由過程AU6331 讀卡機(jī)節(jié)制器芯片，供給一個SD/MMC 接口

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，加電后自動完成措置器、緩存、內(nèi)存節(jié)制器、收集節(jié)制器等初始化工作。同時PMON2000 擁有少量行呼吁集，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(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，搜羅上傳、下傳文件、領(lǐng)受主機(jī)下達(dá)指令等等。經(jīng)由過程PMON2000的內(nèi)部呼吁將LINUX 2.6.21 內(nèi)核裝入內(nèi)存。

　　在內(nèi)存條上有一個ROM,里面保留著內(nèi)存巨細(xì)、行地址數(shù)、列地址數(shù)、內(nèi)存的bank 數(shù)等信息，這些信息可以經(jīng)由過程I2C 總線來訪謁到。作為一種通用設(shè)計方案，要求能撐持各類分歧類型的內(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 。是以采用SM502 的gpio 來模擬I2C 時序，實現(xiàn)對內(nèi)存（DIMM）條信息的讀取。并操作讀取到的信息對龍芯2F 措置器的DDR2 節(jié)制器進(jìn)行設(shè)置裝備擺設(shè)，收到精采的下場。經(jīng)測試，今朝該系統(tǒng)撐持市場上的所有類型的內(nèi)存條。

4．旌旗燈號完整性設(shè)計

　　因為整個系統(tǒng)模塊電路體積較小，而電路的工作頻率較高，是以整個設(shè)計對旌旗燈號的完整性有嚴(yán)酷的要求。龍芯2F 措置器的DDR2 內(nèi)存總路線工作頻率高達(dá)300MHz ，這部門電路是高速電路設(shè)計的一個瓶頸，對這部門電路仿真的功效根基上可以反映出整個電路旌旗燈號傳輸?shù)南聢?。下面以DDR2 節(jié)制旌旗燈號為例，描述該問題采納的設(shè)計體例和流程。

　　在現(xiàn)實設(shè)計中，首先操作龍芯2F 的IBIS 模子和仿真工具[4]預(yù)先確定關(guān)頭旌旗燈號的走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和匹配體例，由此來擬定PCB 布線的約束。先提取PCB 布線前的仿真模子，經(jīng)由過程不雅察看對應(yīng)的仿真功效波形，可確定獲得較好旌旗燈號質(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，再提取現(xiàn)實拓?fù)溥M(jìn)行仿真，提取后的拓?fù)湟妶D3 所示。此時模子已搜羅PCB 板的疊層和阻抗節(jié)制信息，并對現(xiàn)實過孔進(jìn)行了建模。經(jīng)由過程調(diào)整走線并不雅察看仿真功效可獲得最終最佳的走線。圖4 給出了調(diào)整后的仿真功效，可以不雅察看到在receiver 端獲得了較好的旌旗燈號質(zhì)量，同時driver 端的過沖現(xiàn)象也在可接管的規(guī)模內(nèi)。最后在現(xiàn)實板極調(diào)試中再測量現(xiàn)實旌旗燈號波形，經(jīng)由過程調(diào)整匹配元件進(jìn)行微調(diào)來確?，F(xiàn)實旌旗燈號質(zhì)量的靠得住性。實踐剖明，基于這種體例和流程能削減旌旗燈號完整性帶來的設(shè)計風(fēng)險，降低調(diào)試難度。本文稿中所有仿真IC modeling 參數(shù)為typical，driver 的激勵旌旗燈號為133MHz 周期旌旗燈號。

　　6．小結(jié)

　　本文介紹了基于龍芯2F 措置器的車載和便攜設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計過程，首要對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、旌旗燈號的完整性設(shè)計、提高整機(jī)效率等關(guān)頭手藝進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，既能自力工作又供給了矯捷的擴(kuò)展接口，具有很年夜的應(yīng)用前景。