一種基于瑞芯微RK3566平臺(tái)的云電腦設(shè)計(jì)方案

0   引言

云電腦是一種整體服務(wù)方案，包括云端資源、傳輸協(xié)議和云終端。用開放式云終端通過(guò)傳輸協(xié)議，把桌面、應(yīng)用、硬件等資源以按需服務(wù)、彈性分配的服務(wù)模式提供給用戶。用戶無(wú)需考慮構(gòu)建復(fù)雜的IT，就可實(shí)現(xiàn)單機(jī)多用戶。IT 行業(yè)在過(guò)去的幾十年里得到了迅猛發(fā)展，但同時(shí)也帶來(lái)一系列負(fù)面影響，包括高昂的成本、緩慢的響應(yīng)速度以及缺乏一體化管理的基礎(chǔ)架構(gòu)。云電腦是一種全新的IT 服務(wù)，也稱之為云電腦服務(wù)。與傳統(tǒng)電腦相比，云電腦沒(méi)有CPU、內(nèi)存和硬盤等硬件，這些硬件全部匯集在云端的數(shù)據(jù)中心里。用戶只需一個(gè)小巧的終端設(shè)備，在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方接入網(wǎng)絡(luò)，連接鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器，就可以訪問(wèn)個(gè)人的桌面、數(shù)據(jù)和各種應(yīng)用，一切與使用普通個(gè)人電腦沒(méi)有區(qū)別。簡(jiǎn)而言之，傳統(tǒng)電腦依靠主機(jī)運(yùn)行，而云電腦設(shè)備是通過(guò)云端運(yùn)行。

和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，云電腦的部署更加簡(jiǎn)單、快捷、便于集中管控和維護(hù)，降低了人力物力成本。由于對(duì)本地終端硬件要求較低，云電腦在使用、維護(hù)和管理上較傳統(tǒng)電腦具備很多優(yōu)點(diǎn)。例如：升級(jí)系統(tǒng)、修補(bǔ)漏洞都在云端集中進(jìn)行，不必個(gè)人操作；在云終端上，病毒無(wú)任何附著物，在服務(wù)器端則采用多種安全機(jī)制，比傳統(tǒng)電腦更安全；同時(shí)，個(gè)人數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，有多種機(jī)制進(jìn)行備份，個(gè)人數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；云電腦所有應(yīng)用、數(shù)據(jù)、以及各種接口都可統(tǒng)一管理和控制，從而保證企業(yè)數(shù)據(jù)不會(huì)流失；此外，云終端由于功耗低，設(shè)計(jì)上采用較為封閉的外殼，使用壽命要長(zhǎng)很多。在教學(xué)、科研、企業(yè)管理方面都有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。另外現(xiàn)階段的游戲隨著制作越來(lái)越精良，對(duì)傳統(tǒng)PC硬件CPU/GPU的要求也越來(lái)越高，云電腦的一系列優(yōu)勢(shì)也可極大降低游戲門檻，從而在云游戲場(chǎng)景也將具備廣闊的市場(chǎng)前景。

1   云電腦終端一般基本性能要求

1.1 面向辦公終端

1.2 面向營(yíng)業(yè)廳、軟件開發(fā)終端

以上是某運(yùn)營(yíng)商對(duì)于云電腦終端的硬件需求。本文以面向辦公終端、在線教育、在線游戲等場(chǎng)景為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比海思、MTK、AMLOGIC、瑞芯微等多家平臺(tái)方案，最終以瑞芯微RK3566平臺(tái)做平臺(tái)支撐，在滿足上述1.1 規(guī)格需求的基礎(chǔ)上預(yù)留出部分功能需求，形成的板卡規(guī)格如下：

2   RK3566云電腦板卡方案設(shè)計(jì)

2.1 方案系統(tǒng)架構(gòu)

本方案設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵電路由小系統(tǒng)核心、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)傳輸、LCD 顯示部分，USB 外設(shè)接口等部分組成。系統(tǒng)框圖如下圖1 所示。在信號(hào)輸入部分，由于芯片內(nèi)部沒(méi)有集成PHY，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)MDI/MDIX 經(jīng)PHY 芯片轉(zhuǎn)換成RGMII 信號(hào)送入主芯片處理，USB 信號(hào)因兼容設(shè)計(jì)較多外設(shè)，部分外設(shè)USB 信號(hào)經(jīng)過(guò)HUB 后送入主芯片，包括TYPE C 信號(hào)以及移動(dòng)硬盤、鼠標(biāo)、鍵盤等USB 外設(shè)。在信號(hào)輸出部分，有HDMI OUT 接口，預(yù)留兼容EDP 屏接口，另外RK3566 本身不支持點(diǎn)LVDS屏，所以需要一顆轉(zhuǎn)換芯片將MIPI DSI 信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS 信號(hào)輸出。因?yàn)樵齐娔X需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因此設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路用于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)定時(shí)開關(guān)機(jī)功能，同時(shí)也可在網(wǎng)絡(luò)連接異常時(shí)確保系統(tǒng)時(shí)間正常顯示。在網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，則由2.4 G/5 G 雙頻Wi-Fi 以及千兆有線網(wǎng)絡(luò)組成，確保用戶在無(wú)線/ 有線環(huán)境下均可實(shí)現(xiàn)云端辦公、教育、娛樂(lè)、游戲等功能。針對(duì)小系統(tǒng)核心、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)傳輸、LCD 顯示在下文詳細(xì)闡述。

圖1 系統(tǒng)框圖

經(jīng)過(guò)板卡設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品形態(tài)如下圖2 所示，除上述關(guān)鍵電路以外，還預(yù)留較多功能以便后續(xù)擴(kuò)展使用，例如MIPI CSI 接口以便用于后續(xù)整機(jī)內(nèi)置MIPI 攝像頭需求。

圖2 板卡基本產(chǎn)品形態(tài)

2.2 核心系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

云電腦平臺(tái)方案以RK3566 為核心， 搭配外置LPDDR4 以及EMMC5.1。采用全新獨(dú)立JPEG 解碼處理器，高效并發(fā)處理多小圖解析，有十分強(qiáng)大的視頻編解碼能力， 支持4K H.264/H.265/VP9 等多種格式高清解碼，編碼支持1080 像素，60fps 的H.264 及H.265 格式編碼，支持動(dòng)態(tài)碼率、幀率、分辨率調(diào)節(jié)等功能。RK3566 嵌入式3DGPU 完全兼容OpenGL ES1.1/2.0/3.2、Open CL 2.0和Vulkan1.1。在信號(hào)處理流程上，除了支持硬件外設(shè)外，云電腦的核心內(nèi)容主要是要處理云端數(shù)據(jù)，因此在核心系統(tǒng)方案中，針對(duì)云端數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示，其中圖模式是云電腦圖像變化頻率較低時(shí)使用的模式，整個(gè)云桌面是1 張大的bitmap，每當(dāng)圖像有變化的時(shí)候只把變化區(qū)域的數(shù)據(jù)以RGBA 的格式傳到客戶端，然后客戶端對(duì)應(yīng)更新大圖中發(fā)生變化區(qū)域的數(shù)據(jù)。流模式是云桌面內(nèi)圖像變化頻率較高時(shí)使用的模式，這種模式下是把整個(gè)桌面圖像用h264 協(xié)議編碼后傳到客戶端，然后客戶端用的media codec 解碼并渲染到Surface 上：

圖3 云電腦核心數(shù)據(jù)處理流程

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的作用主要有時(shí)間記憶以及定時(shí)開關(guān)機(jī)等作用，一般只需要整機(jī)首次開機(jī)設(shè)置1 次即可，如2.1 描述，云電腦需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因此設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路用于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)定時(shí)開關(guān)機(jī)功能，同時(shí)也可在網(wǎng)絡(luò)連接異常時(shí)確保系統(tǒng)時(shí)間正常顯示。常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片為H8563T 系列等，工作頻率為32.768 kHz，業(yè)內(nèi)通用做法是采用CR2032 電池，時(shí)鐘芯片長(zhǎng)期需要消耗電流，如果單獨(dú)只采用CR2032 給時(shí)鐘芯片供電，則會(huì)導(dǎo)致電池電量在3~4 年即要更換電池，本方案采用電池/ 板卡DC 供電的雙供電系統(tǒng)，可極大的提升電池使用年限。如圖4 所示，其中紐扣電池接口采用外掛電池形式，方便后續(xù)用戶更換。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路設(shè)計(jì)

在云電腦應(yīng)用場(chǎng)景，高速、高穩(wěn)定性是用戶體驗(yàn)的最佳保障，因此本方案設(shè)計(jì)采用千兆以太網(wǎng)+2.4 G/5 G雙頻Wi-Fi 雙網(wǎng)絡(luò)連接方案。下面針對(duì)兩部分分別闡述。

千兆網(wǎng)是指有線網(wǎng)絡(luò)達(dá)到10 M/100 M/1 000 Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)， 因RK3566 并未集成PHY 芯片， 因此在實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)通訊時(shí)硬件有兩種方案，一種是采用USB 網(wǎng)卡芯片， 即將MDI/MDIX 信號(hào)通過(guò)USB網(wǎng)卡芯片轉(zhuǎn)換為USB3.0 信號(hào)，該方案需要占用一路USB3.0 接口。另外一個(gè)方案是采用RGMII 接口，將有線MDI/MDIX 信號(hào)通過(guò)RGMII 網(wǎng)卡芯片轉(zhuǎn)換為吉比特介質(zhì)獨(dú)立接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）。RGMII 均采用4 位數(shù)據(jù)接口，工作時(shí)鐘125 MHz，并且在上升沿和下降沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，因此傳輸速率可達(dá)1 Gbit/s。本方案采用REALTEKRTL8211F 來(lái)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)的信號(hào)傳輸。下圖5 為典型的RGMII 應(yīng)用框圖。

圖5 RGMII典型應(yīng)用框圖

考慮到用戶使用場(chǎng)景的復(fù)雜性，本方案采用2.4 G/5 G 雙頻Wi-Fi 模組。Wi-Fi 一詞是無(wú)線保真度（Wireless Fidelity）的簡(jiǎn)稱。位于美國(guó)德克薩斯州的國(guó)際WiFi 聯(lián)盟負(fù)責(zé)Wi-Fi 的認(rèn)證和商標(biāo)授權(quán)工作，其中Wi-Fi802.11n協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)Wi-Fi4，802.11ac 對(duì)應(yīng)為Wi-Fi5，802.11ax 對(duì)應(yīng)為Wi-Fi6。Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6都是Wi-Fi 信號(hào)國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，最顯著的區(qū)別就是吞吐速率的區(qū)別，如圖6 所示，其他的區(qū)別在這里不做贅述。

圖6 不同Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)吞吐速率差異

設(shè)計(jì)之初為了避免不同整機(jī)單獨(dú)要做SRRC 認(rèn)證，減少認(rèn)證費(fèi)用以及周期，優(yōu)先考慮藍(lán)牙WiFi USB 集成模組，但是因?yàn)檎麢C(jī)需求藍(lán)牙通話功能，有別于音樂(lè)播放音頻傳輸，藍(lán)牙實(shí)時(shí)通話音頻傳輸在硬件通路上是需要走PCM 通路，現(xiàn)有的USB 模組暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)該功能，因此最終選取SDIO 板載藍(lán)牙Wi-Fi5 模組，電路兼容RTL8821CS 以及AP6256 等，同時(shí)考慮未來(lái)進(jìn)一步提速需求，板卡兼容板載Wi-Fi6 模組封裝。

2.5 LCD顯示方案設(shè)計(jì)

在小尺寸屏市場(chǎng)，屏接口主要有RGB/MIPI DSI/EDP/LVDS 四種。簡(jiǎn)要定義如下：RGB 接口是基于三原色數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)CPU 與LCD 之間的數(shù)據(jù)交互。液晶中所用的MIPI 接口，其專業(yè)名稱叫DSI，全稱Display Serial Interface。顧名思義，該接口是指用于顯示模塊的1 個(gè)串行接口，基于MIPI 協(xié)議而產(chǎn)生。eDP（Embedded，嵌入式Display Port），它是一種基于Display Port 架構(gòu)和協(xié)議的一種內(nèi)部數(shù)字接口，LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低電壓差分信號(hào)，是一種低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射的差分信號(hào)技術(shù)。不同接口的工作原理不同，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景也不盡相同。在本方案的云電腦場(chǎng)景，所用到的LCD 屏尺寸從18.5~27 英寸不等，該尺寸段主要以LVDS 接口為主，分辨率為典型的1 080 像素。RK3566 平臺(tái)方案本身無(wú)LVDS 信號(hào)輸出，只有MIPI DSI 以及EDP 接口。為了實(shí)現(xiàn)LVDS點(diǎn)屏需求，需要通過(guò)MIPI DSI 或者EDP 接口轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)VDS 信號(hào)輸出。為了最大實(shí)現(xiàn)板卡兼容，選擇保留EDP 屏接口，通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片將MIPI DSI 轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)VDS信號(hào)輸出。LVDS 眼圖實(shí)測(cè)如圖7 所示。

圖7 LVDS實(shí)測(cè)眼圖

3   結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了云電腦的工作原理以及硬件規(guī)格參數(shù)，詳細(xì)闡述了如何通過(guò)RK3566 平臺(tái)開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)云電腦場(chǎng)景需求，對(duì)后續(xù)云電腦平臺(tái)開發(fā)具備一定借鑒意義。云電腦作為一種新型產(chǎn)品形態(tài)，因其安全、便捷，用戶只要有賬號(hào)，即可在任意場(chǎng)景下登陸，在未來(lái)辦公、教育、云游戲等諸多場(chǎng)景將具備極為廣闊的市場(chǎng)前景。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）