（控制理论与控制工程专业论文）基于龙芯2c低成本开发板的设计与实现.pdf

基于龙芯2 c 低成本开发板的设计与实现 摘要 龙芯( g o d s o n ) c p u 是国内研制的第一款通用c p u 。龙芯的诞生对 于中国的c p u 核心技术，国家安全，甚至经济的发展都有着举足轻重的 作用。 该论文的目的就是为龙芯2 c 研制低成本开发板，进而为基于开发板 的二次开发提供有利的支持。这样，开发厂商就可以基于这些现有的接口 来开发自己的硬件和软件，并且可以尽快地熟悉龙芯2 c 的指令系统和集 成开发环境，以缩短研发周期。 本论文在充分理解龙芯2 c 体系结构、性能指标和各项接口的基础上， 根据龙芯2 c 的自身特点，创新性地提出了一整套低成本解决方案。其中， 尤为重要的是采用具有6 4 位系统总线与3 2 位系统总线双向转换功能的 f p g a 转接卡与3 2 位北桥i t 8 1 7 2 的组合代替了6 4 位北桥，使得系统整 体价格比用6 4 位北桥时低了近5 倍，而且功能更加丰富。在确定低成本 架构之后，根据系统预期功能进行开发板系统各芯片选型，进而完成原理 图设计。并且，研究了高速电路设讨所涉及的如信号完整性和电磁兼容性 问题，并在其指导下根据原理图进行了p c b 设计，重点攻克了低成本架 构带来的布局布线网难。最后完成整个开发板的后期调试工作以及使用 s t r e a m 、l l c b e n c h 、h d p a r n l 、x b e n c h 和t t c p 等测试软件对开发板的访 存速度、c a c h e 性能、硬盘访问速度、显示性能和网络性能等各项性能进 行测试和评估。 1 测试结果表明，龙芯2 c 开发板在采用低成本方案设计后，系统整体 性能表现良好。完全可以在不过多降低系统性能的基础i 二，帮助开发，商 降低产品成本，使产品更具市场竞争力，从而加快整个龙芯产业化的进程。 关键词：龙芯2 c ，开发板，低成本 摘篓 d e s l g no fl o wc o s td e v e l o p m e n tb o a r db a s e d o ng o d s o n 2 cc p u a b s t r a c t g o d s o nc p ui sm ef i r s tu n i v e r s a lc p uw h i c hd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l vi n o u rc o u n t r y i ti ss i g n m c a l l tt h a tg o d s o ni sb o mf o rm ec p uc o r et e c h n o l o g y ， t h es e c u r i t yo fn a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st od e v e l o pt h el o wc o s td e v e l o p m e n tb o a r d f o rg o d s o n 2 c ，w h i c hc a np m v i d ea d v 锄t a g e ds u s t a i nf o rt h es e c o n d d e v e l o p m e n tb a s e do nd e v e l o p m e n tb o a r d t h e nm a n u f a c t u r e rc a nt a k e a d v a m a g eo ft h e s ep r e s e n ti n t e r f a c e st od e v e l o ph a r d w a r ea n ds o 最w a r e ，a n d a c q u a i n tw i t hi n s t r u c t i o nr e p e r t o i r eo fg o d s o n 2 ca n di n t e g m t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta sq u i c k l ya sp o s s i b l es oa st os h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l e i nt h e 血e s i san e w1 0 wc o s ts o l u t i o nb a s e do ng o d s o n 2 ci sc r e a t i v e l y b r o u g h tf b n v a r da r e rc o m p r e h e n d i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，p e 响m l a n c et a 唱e t a n di n t e r f a c e so fg o d s o n 2 c i ti st h em o s ti m p o n a n tt h a t u s i n gt h e c o m b i n a t i o no ff p g as w i t c hc a r dw h i c hc a ns w i t c hb e t w e e n6 4 - b i ta n d3 2 - b i t s y s t 锄b u sa n dn o m lb r i d g ei t 8 17 2t or e p l a c e6 4 _ b i tn o r t hb r i d g e ，w 圭1 i c h c o s ti s1 0 w e rf i v et i m e st h a n6 4 - b i tn o r t hb d g ea 1 1 ds v s t e m 如n c t i o ni sm o r e a b u n d a n t a r e rd e c i d i n gl o wc o s ts t m c t u r e ，a l lc h i p sa r ec h o s e na c c o r d i n gt o s y s t e mf u n c t i o na n ds c h e m a t i cd e s i g ni sf i n i s h e d m o r e o v e r ，h i g hs p e e d c i r c u i t d e s i g n s u c ha s s 吐弘a 1i n t e g r i t y a n d e l e c t r o m a g n e t i c c o e x i s ti s r e s e a r c h e da n dp c bi sd e s i g n e do ns c h e m a t i c p c b 】a v o u ta n dr o u t ea r e m a i n l ys o l v e di np c bd e s i g n a tl a s t ，d e v e l o p m e n tb o a r dd e b u g g i n gi s n n i s h e da 1 1 dt h ew h o l ep e d b 吼a n c e i n c l u d i n gm e m o r ym t e 、 c a c h e p e r f b r l l l a n c e 、h a r d d i s kr a t e 、 s h o wp e r f b m a l l c ea n dn e tp e r f i o m a n c ei st e s t e d b yu s i n gs o m et e s ts o r w a r e si n c l u d i n gs t r e a m 、l l c b e n c h 、h d p a m 、x b e n c h a n d t t 印 t h et e s tr e s u l ts h o w st h a ta r e ra d o p t i n gl o wc o s td e s i g nf o rg o d s o n 2 c 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 1 9 1 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：鱼i 盔 曰期： 洫! ： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使1 f j 学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京 化工火学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属丁保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：垒i 盏 日期：超! ! 导帅签名：兰咝口期：! ! 区蠡 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 面对世界格局的纷纭变幻，面对科学技术的不断提高，在相当长的历史时期内， 我国需要国家缴的研究机构从事与国家安全及国家竞争力有芙的高技术研究，信息行 业的企业也需要闽家级的研究机构提供关键性技术。 以微处理器为核心的集成电路( 1 c ) 技术向来是信息产业的两大核，t h , 技术之一，是 现代信息技术的“心肌”。中央处理器( c p u ) 是i t 产业的核心脑髓，美国是世界经 济的中枢系绩，全球计算机上的通用c p u 几乎都出自美国的c p u 制造厂商，如i n t e l 和a m d ，这己成为了中国i t 产业无法愈台的痛。 痛定思痛，中国i t 产业试图发展自主c p u 的冲动从未停息。我国的信息产业必 须建立在自主核心技术的基础上，否则只能受制于人。 2 0 0 1 年伊始，中国科学院计算技术研究所开始酝酿研制一款国产的通用型c p u 。 在实施方案的充分论证前提下，中国科学院计算技术研究所得到了多方资源的支持。 经过艰辛的努力，在2 0 0 2 年，中国科学院计算技术研究所推 了我国第一款商品化 的通用高性能c p u 龙芯1 号_ l j ，龙芯1 号是一款主频为2 6 6 m h z 的3 2 位高性能通用 c p u ，也是国内第款通用c p u 。 虽然外界对第一款龙芯1 号c p u 褒贬1 i 一，但是龙芯的诞生对中国的c p u 核心 技术，国家安全，甚至经济的发展都有举足轻重的作用。首先，龙芯的推出一定程度 上解决了我国在电子政务、国防等方面的安全问题；其次，龙芯拥有着广阔的应用市 场，如打印机、扫描仪、手机等等。可咀大大提高民族产业的盈利能力；再者，对于 在中国刚刚起步的半导体行q k 而音，自有芯片无疑将迅速带动其1 艺的发展与进步： 此外，毛芯在促进产业价值链的优化以及技术进步等方面也都有着重要的作用和意 义。 在龙芯1 号之后，从2 0 0 3 年到2 0 0 5 年，中国科学院计算技术研究所义相继推出 了龙芯2 a ，龙芯2 b 和龙芯2 c 。其中，龙芯2 c 已升级为6 4 位c p u ，性能比龙芯1 号提高了十倍，相当于巾档奔腾i l i 处理描的水平。其与国际领先c p u 的性能差距已 经缩短到4 年，居国内通用c p u 研制领先水平。 1 2 龙芯2 c 处理器简介 1 2 龙芯2 c 处理器简介 1 2 1 基本特点 北京化“i ：人学坝i 学位论文 龙芯2 c 处理器是一款通用r i s c 处理器，采用6 4 位m i p s i i f f r 令集和四发射超 标量体系结构，主频最高可达4 0 0 m h z ，s p e cc p u 2 0 0 0 值在2 3 0 分以上。龙芯2 c 处 理器在每一个时钟周期完成四条指令的取指和译码，并动态发射到五个全流水功能单 元：乱序执行和高速c a c h e 技术提高了流水线的性能；指令顺序提交，使处理器可以 进行精确异常处理。 乱序执行同寄存器重命名、动态调度和转移预测技术密不可分。寄存器重命名技 术能够克服w a r ( w r i t ea f t e rr e a d ) 和w a w ( w r i t ea f t e rw r i t e ) 相关，而且在精确的例外处 理和分支预测错误恢复中也是必不可少的。龙芯2 c 有一个6 4 项寄存器堆，有利于定 点和浮点寄存器的独立映射。动态调度技术通过指令重排降低了由于r a w ( r e a da f t e r w r i t e ) 相关而产生的延迟。在指令乱序发射时，龙芯2 c 提供一个1 6 项定点保持站和 一个1 6 项浮点保持站。3 2 项r o q ( r e o r d e r q u e u e ) 确保了乱序执行的指令在执行完成后 顺序提交。转移预测技术在转移指令执行前通过预测方向解决了控制相关。龙芯2 c 使用1 6 项b t b ( b r a n c ht a r g e tb u f f e r ) ，4 k 项b h t ( b r a n c hh i s t o r yt a b l e l ，9 b i t sg h r ( g l o b a l h i s t o r yr e g i s t e r ) 和4 项r a s ( r e t u r na d d r e s ss t a c k ) 来进行精确的转移预测。 龙芯2 c 处理器的一级c a c h e 由一个6 4 k b 的指令c a c h e 和一个6 4 k b 的数据c a c h e 组成，均为四路组相连结构。龙芯2 c 处理器的全相连t l b 有6 4 项，每一项对应奇 偶两页。1 6 项访存队列使龙芯2 c 处理器支持乱序访存、非阻塞c a c h e 、l o a ds p e c u l a t i o n 和s t o r ef o r w a r d i n g 技术。 龙芯2 c 处理器有两个定点功能单元，两个浮点功能单元和一个访存功能单元。 通过扩展浮点指令的t i n t 域浮点部件也可以执行3 2 位或6 4 位的定点指令，以及8 位 或1 6 位的s i m d 定点指令。 龙芯2 c 处理器除了实现m i p s 系统要求的安全机制外，还针对利用缓冲区溢出 进行的网络攻击实现了一种新的访问限制机制。龙芯2 c 通过允许操作系统对堆栈段 的取指进行限制，从而有效地防范利用缓冲区溢出进行的攻击。 龙芯2 c 处理器可以运行完整的6 4 位l i n u x 操作系统和x w i n d o w 视窗系统，通 过包括s p e cc p u 2 0 0 0 在内的若干基准程序的功能和性能测试，通过包括o 街c e 、浏 览器、w e b 服务器在内的一批应用程序的考核，可以运行电子政务等大型应用。 1 2 2 接口信号描述【2 】 龙芯2 c 处理器提供了有效的接口，使处理器与外部设备之间可以正常通信。以 下描述了龙芯2 c 处理器的接口信号，包括系统接口信号、乱序读接口信号、时钟接 口信号、中断接口信号、初始化接口信号、二级c a c h e 接口信号和j t a g 接口信号。 其巾，信号以粗体字表示，以s 号表明低有效信号。 第一章绪论 图1 1 为龙芯2 c 处理器接口信号框图，箭头表示信号的类型：输入、输出或者 双向信号。 系 统 接 口 s y s a d 6 3 ：0 l s y s a d c 7 ：0 1 s y s c m d l 8 ：0 j s v s c m d p v a l i d l n + v a l i d o u t * e x t r q s t * r e l e a s e + r d r d y w r r d y * p m q p a c k + p s w a p c l k s e l 3 ：ij s v s c l o c k v s s p v c c l o p v c c i n t p 龙芯2 c i n t + 1 5 - 0 1 l 中断 n m i l 接口 m o d e c l o c k - 1 v c c o k 初始化 c o l d r e 蝌 接口 r e s e t * i m p f i r s t - - 3 t d l t d o t m s t c k t r s tj s c c l r t s c c w e + 1 1 ：0 ll s c d c e + 1 1 ：0 l s c d o e + s c l i n e + 1 7 ：0 l s c m a t c hj s c t c e + s c l i d e tl s c t o e tj s c w o r d 1 ：0 1l s c v a l i d 。j 图1 - 1 龙芯2 c 处理器接口信号框图 f i g 1 1s k e t c ho f g o d s o n 2 cc p ui n t e r f a c es i g n a l , t a g 接口 二级 c a c h e 接口 表1 - 1 描述了龙芯2 c 处理器各接口信号，列出了各信号的名称、功能说明、有 效电平和是否三态信号。 表1 - 1 龙芯2 c 处理器接口信号 t a b l e1 - 1g o d s o n 2 cc p ui n t e r f a c es i n g a l 信号名称功能说明有效电平是否三态信号 s y s a d l 6 3 ：0 l s y s a d c 7 ：0 l s y s c m d 8 ：0 】 s y s c m d p v a d i n + s y s a d 总线 s y s a d 奇偶校验总线 s y s c m d 总线 系统命令总线奇偶校验位 输入有效信号 低电平 是 是 是 是 不是 l卜 乱序读接口 时钟接口 北京化t 大学硕j ：学位论文 、h i 讨0 u t * e x t r q s t * r e l e a s e * r d r d y p r e q + p a e l r s p s w p + w r r d y * i n t 1 5 ：0 l n m i m o d e c l o c k s y s c l o c k v c c o k c o l d r e s e t * r e s e t * i m p f i r s t t d i t c k t d o t m s t r s t + s c c l r s c c w e ( i ：们 s e d c e ( i ：价。 s c d o e + s c m a t c h s e t c e + s c t d e + s c t o e s e l i n e 1 7 ：0 1 s c w o r d 1 ：o l s c v “d 输出有效信号 外部请求信号 释放接口信号 读准备好信号 处理器请求信号 处理器应答信号 读请求乱序完成信号 写准备好信号 外部中断 不可屏蔽中断 启动模式时钟 系统时钟 电源稳定信号 冷复位 复位 端位模式选择 j t a g 数据输入 j t a g 时钟输入 j t a g 数据输出 j t a g 模式选择 j t a g 复位 二级c a c h e 块清零信号 二级c a c h e 写使能信号 二级c a c h e 数据 r a m 片选信号 二级c a c h e 数据 r a m 输出使能信号 二级c a c h et a gr a m 匹配信号 二级c a c h e 标签r a m 片选信号 _ 二级c a c h et a gr a m 重填信号 二级c a c h e t a g r a m 输出使能信号 二级c a c h e 索引信号 二级c a c h e 坝字索引信号 二：级c a c h e 有效信号 低电平 低电平 低l b 平 低电平 低电平 低电平 低电平 低电平 低电平 低电平 高电平 低电平 低电平 高电平 低电平 低电平 低电平 低电平 低电平不是 高电平 低电平 低电平 低屯平 高电平 不是 是 是 越 是 是 是 4 是硅是张是程程穰硅稚程程程程褫程穰穰是穰程是是是 第一章绪论 1 3 论文研究意义 早在龙芯立项之初，中国科学院院长路甬祥、副院长江绵恒就尖锐地指出，技术 上成功并不是龙芯项目的成败关键，要害问题是龙芯能拥有多大的用户群。龙芯要想 真正发展起来，产业化的任务非常重要。 为了帮助各级开发厂商能够快速方便地使用龙芯开发自己的系统，降低产品的成 本，加快产业化的进程，本课题“基于龙芯2 c 低成本开发板的设计与实现”应运而 生。 开发板就是一块基于龙芯2 c 的多功能计算机主板，其不仅本身要具有音频、串 口、并口、网卡、u s b 、智能i c 卡、红外等丰富的标准接口，而且要具有p c i 插槽、 l p c 扩展、f l a s h 扩展、1 2 c 扩展等丰富的可扩展接口，为基于开发板的二次开发提供 有利的支持。这样，丌发厂商就可以基于这些现有的接口来开发自己的硬件和软件， 省去了自己制作整个系统的时间，而且可以尽快地熟悉龙芯2 c 的指令系统和集成开 发环境，以缩短研发周期。并且，在设计开发板时，还提出一整套低成本解决方案， 能够在不过多降低系统性能的基础上，帮助开发厂商降低产品成本，使产品更具市场 竞争力，从而加快整个龙芯产业化的进程。 在本课题的分析研究和丌发板的设计、投板、测试、调试过程中，得到了来自多 方资源的支持。 其中所有研究经费均来自于龙芯课题组研究经费，具体罗列如下： 中科院重大研究项目“高性能通用c p u 芯片研制”，受资助金额3 3 0 0 万元。 8 6 3 高技术研究项目“高性能通用c 阿芯片设计”，受资助金额5 0 0 力元。 中科院创新方向性项目“高性能通用c p u 芯片研制”，受资助金额5 0 0 万元。 8 6 3 高技术研究项目“嵌入式c p u 开发和s o e 设计平台技术研究”，受资助金额 2 0 0 万元。 1 4 论文所做工作 本人于2 0 0 4 年9 月开始，在中幽科学院计算技术研究所龙芯实验室进行本课题 研究，简单罗列主要工作如下： 在充分理解龙芯2 c 体系结构、性能指标和各项接口的基础上，完成系统低成本 方案设计； 确定方案后，根据系统预期功能，进行开发扳系统各芯片选型，进而完成原理图 设计； 北京化t 大学颁l 学位论文 研究高速电路设计所涉及的如信号完整性和电磁兼容性问题 原理图设计p c b ； 完成p c b 加工后，进行软硬件调试，完成调试工作； 完成系统性能测试，对开发板整体性能进行评估。 其中，原理图设计使用c a d e n c e 系列软件中的c a p t u r ec i s ， a l l e g r o 。 并在其指导下根据 p c b 设计主要使用 通过学习与研究，基本掌握了高速电子系统的开发和调试流程，掌握了解决信号 完整性和电磁兼容性的常规方法。并且对m i p s 体系结构、b i o s 代码的框架结构和 v e r i l o g h d l 硬件描述语言都有了比较全面的了解。 1 5 论文组织结构 本文内容包括六部分。 第一章是绪论，简要介绍了本论文的研究背景，以及由此引出的论文所做工作内 容和意义。第二章详细介绍了整个系统的低成本方案选型、芯片选型和各模块原理图 设计。第三章讨论了信号完整性和电磁兼容性问题，详细介绍了开发板p c b 设计， 其中着重介绍了p c b 布局和p c b 布线。第四章回顾了系统后期调试时遇到的种种问 题和解决方法。第五章介绍了开发板整体性能测试的方法和测试结果。第六章做了全 文的总结。 论文的书写是希望能够在总结两年多所收获的理论知识、工程实践的基础上，对 高速电子产品的研发流程做层进的描写，并总结我在课题中所做的具体研究工作。希 望能够对我校学生将来的科学实践与知识产权的产品化有一定的借鉴与帮助作用。当 然，由于本人了解有限，其中难免有疏漏与错误之处，还请校、院、领导与论文审校 的老师能够不吝赐教、批评指正。 6 第二章低成奉架构及原理图设计 第二章低成本架构及原理图设计 2 1 开发板低成本架构设计 2 1 1 低成本架构设计 龙芯2 c 低成本开发板主要由龙芯2 c 、f p g a 转接卡、北桥( i t 8 1 7 2 ) 、南桥 ( 1 t 8 7 1 2 ) 、时钟发生与初始化电路、电压转换电路、b i o s 固化区、信息显示等部分 组成，同时支持p c i 总线、l p c 总线、局部i o 总线、存储总线等，系统结构如图2 1 所示： 图2 - 1 龙芯2 c 开发板系统结构示意幽 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f d e v e l o p m e n tb o a r db a s e d0 1 1g o d s o n 2 cc p u 图2 1 所示的开发板结构大体上是经典的计算机架构，即南北桥结构。这种结构 有很多的局部总线，各种设备按照工作频率的高低分别连接到北桥和南桥上，很好的 解决了单一总线带宽瓶颈的问题。 但是，整个系统又有一处不同于经典计算机架构的地方，即在龙：吝2 c 和北桥之 北京化工大学颂i 学位论文 间加入了一片f p g a ，这片f p g a 转接卡正是开发板低成本架构设计的核心所在。 因为龙芯2 c 为6 4 位c p u ，且采用6 4 位m i p s t l i 指令集。但是，市场上能够支 持6 4 位m i p s 处理器的6 4 位北桥却不多。其中有代表性的就是m a r v e l l 公司的 g t 6 4 1 2 0 a 、g t 6 4 2 4 0 a 和m v 6 4 3 4 0 ，以及n e c 公司的b o n i t 0 6 4 。但是，这些北桥 大多价格昂贵，功能单一。这直接导致了产品开发j 一商开发成本增高，产品应用面变 窄。 在深入调查和反复比较后，为了降低整个系统的成本，决定采用具有6 4 位系统 总线与3 2 位系统总线双向转换功能的f p g a 转接卡与3 2 位北桥i t 8 1 7 2 的组合，代 替了6 4 位北桥。使得整个系统在不过多降低性能的基础之上，整体价格比用6 4 位北 桥时低了近5 倍，而且具有了更多的功能。 2 1 2f p g a 内部功能实现 由图2 1 可以看出，f p g a 转接卡成为龙芯2 c 和北桥i t 8 1 7 2 的中间桥梁，实现 了6 4 位c p u 和3 2 北桥之间的系统总线数据双向转换。而且，由于开发板准备支持 二级c a c h e ，以提高系统整体性能，所以就把c p u 和北桥都没做到的二级c a c h e 控制 电路也做到了f p g a 中。 整个内部转换程序使用v e r i l o gh d l 语言编写。f p g a 内部转接电路主要由六个 功能块构成：6 4 位处理器系统接口模块、3 2 位处理器系统接口模块、6 4 到3 2 位系统 总线命令转换模块、6 4 到3 2 位系统总线地址数据转换模块、3 2 到6 4 位系统总线数 据转换模块和片9 1 , - 级c a c h e 控制模块。转接电路内部结构如图2 2 所示： 第一二章低城本架构歧原理燃改计 图2 - 2 转接 内部结构 f i g 2 2t h ei n t e r i o rs t r u c t u r eo f f p g a 其中前两个模块提供不同位宽的总线接口，中间三个模块提供6 4 到3 2 位命令、 地址和数据的核心转换，最后一个模块则是把c p u 和北桥都没做到的二级c a c h e 控 制电路做到了f p g a 中。 北京化丁人学坝l 学位论义 处理器发m 读请 求 + 。爨一一露笋、f 1 个a t a3 3 i d e 硬盘接口 1 2 第一章低成奉架构及艏i 理例设计 1 个1 0 1 0 0 me t h e m e t 接口 1 个软盘接口 2 个u s b h o s t 接口，支持u s b l 1 标准 1 个并口( 支持i e e e1 2 8 4 ) 2 个r s 2 3 2 串口 1 个r s - 4 8 5 串口 1 个p s 2 键盘接口 1 个p s 2 鼠标接口 2 个c o n s u m e r i r 红外接口 1 个s m a r t c a r d 智能卡接口 支持1 2 s s p d i f 接口 支持a c 9 7 音频输入腧出 2 1 个g p i o 接口 4 个p c i 总线设备扩展 1 2 个外部设备总线扩展，外接m o t o r o l a6 8 k 系列c p ub u s 器件 l p c 总线扩展( 主设备受北桥串行中断数限制为1 5 个，从设备无限制) 1 2 c 总线扩展( 总容性要小于5 0 0 p f ) 2 2 开发板原理图设计 2 2 1c p u _ - f p g ri1 8 1 2 一c a c h e f p g a 是龙芯2 c 和北桥i t 8 1 7 2 之间的桥梁。本方案选用的f p g a 是a l t e r a 公 司c y d o n e 系列的e p l c 6 e 3 1 。c y c l o n e 系列器件是低价格，中等密度的f p g a 。其工作 频率理论最高可达2 0 0 m h z 。内部有5 9 8 0 个逻辑单元，支持接近1 2 万门的设计，2 0 个4 k b i t 的r a m 块、2 个内部锁相环和1 8 5 个用户可用i o 引脚。 北桥是整个系统的通讯枢纽，其性能和功能直接影响到整个系统的性能和功能。 本方案选用的北桥是i t e 公司的i t 8 1 7 2 4 1 。这是一款性价比很高的多功能桥片，其主 要具有以下功能：3 2 - b i tr i s c 处理器接口、1 0 0 m h zs d r a m 控制器、可编程的深度 f i f 0 和写b u f f e r 、6 4 mb y t e sf l a s ha n d4 mb y t e sr o m 接口、6 8 k 外部总线控制器、 p c i 总线控制器、中断控制器、d m a 控制器、智能卡接口、a t a 3 3i d e 总线控制器、 消费类红外接口、数字音频控制器、支持1 6 c 5 5 0 标准的u a r t 、支持i e e e1 2 8 4 标 准的并口、u s b h o s t 控制器、l p c h o s t 控制器、实时时钟等。 i t 8 1 7 2 的完整内部功能框图如图2 - 6 所示。 第一章低成本架构及原理幽设计 容量大、价格便宜等优点，目前己广泛应用于计算机内存中。 北桥s d r a m 控制器提供以下支持： 3 2 比特位宽数据总线 时钟频率最高支持1 0 0 m h z ，与c p u 时钟同步 两个b a n k ，总容量支持1 2 8 m b 自动刷新( 1 5 6 m so r 7 8 m sr e 矗c s hr a t e ) 丌发板s d r a m 内存采用4 片h v i l i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t 8 】芯片的组成，分 布在两个b a n k ，总容量1 2 8 m b 。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t 为牾a 1 1 k sx4 m b i t sx 1 6 结构的 c m o s 同步d r a m ，专为需要大容量高数据带宽的主存应用而设计。北桥s d r a m 控 制器，提供了两个片选、地址数据以及其它控制信号，但是没有提供时钟。4 根时钟 信号线均从i c s 9 2 4 8 8 l 引出。北桥同一片内存之间信号连接图如图2 1 l 所示，图中 各信号浼明如下表2 3 所示。 m a 1 2 ：0 二、m a 1 2 ：o m d 3 1 ：o m c 黔 1 ：o d q m 3 ：o 夕d q m 3 ：o b a 1 ：o = _ 一、1b a 1 ：0 c k e 一- c k e m 霄e 半卜m 盹丰 r a s 串一- r a s 卓 c a s - c a s s d r mc l o c k 4 ：1 = 北桥i t 8 1 7 2 c l o c k 4 ：1 内存h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t 图2 1 1 北桥同一片内存之间信号连接图 f i g 2 - 1 1t h e c o n n e c t i o no f s i 舭a lb 帆e nn o r t hb r i d g e 阴dm 锄o r y 表2 - 3 内存控制器接口信号说明 t a b i e2 - 3n ei i l l l l l l i n a t i o no f m e m o r yc o n 仃o li n t 科f a c es i g i l a l 信号名称功能说明 m a 1 2 ：o m d 3 1 ：o m c 聃 1 ：0 d 【) m 3 ：o 地址总线 数据总线 片选信号 数据选择信号 1 9 北京化t 大学颂_ ：学位论文 内存内部b a n k 地址选择信号 系统时钟使能信号 写使能信号 行地址选通信号 列地址选通信号 2 2 5p c i 总线接口 p c i ( p 甜p h c r a lc o m p o n e n th l t e r c o i l n e c t ) 总线是现在最为流行的计算机总线标准 之一，它是i n t e l 公司于1 9 9 2 年推出的一种局部总线，支持3 3 m h z 的时钟频率， 定义了3 2 位数据总线宽度，可扩展到6 4 位。p c i 的性能比i s a 和e i s a 更为优越， p c i 支持突发性读写操作，最大传输速率可以达到1 3 2 m b s ，而且可以同时支持多组 外围设备，开放性好、不受处理器的限制、具有广泛的兼容性，是基于新一代处理器 的总线标准。同时p c i 还有下列特点： 优越的数据传输性能：总线宽度3 2 位( 可扩展至6 4 位) ，支持突发( b u r s t ) 传输 工作方式。 p c i 总线规范2 0 版支持3 3 m h z 总线操作，2 1 版增加了对6 6 m h z 的支持。3 2 位 3 3 m a z p c i 总线在读写操作中峰值传送速率可达1 3 2 m b s 。现在已经发展到2 2 版本，最多可以扩展到2 5 5 个p c i 设备，各个p c i 设备之间以菊花链的方式连接。 良好的兼容性：p c i 总线部件和插卡的设计独立于处理器，所有现在的和将来的 处理器都能被很好的支持。预留6 4 位扩展，定义了3 3 v 和5 v 两种信号环境。 即插即用：每个p c i 设备上都有配置空间能实现自动配置，使得系统b i o s 和操 作系统的系统层软件能自动配置p c i 总线部件和插卡。 总线主控和同步操作：p c i 总线接口芯片可以主控总线，直接对系统存储器进行 读写；p c i 独特的同步操作功能可以保证c p u 和总线主控同时操作。 隐式总线仲裁：p c i 总线仲裁能够在另一个总线主设备正在p c i 总线上执行传送 时发生，从而提高了系统的数据传输性能。 北桥i t 8 1 7 2 的p c i 总线控制器提供以下支持： 支持p c i 2 1 规范 3 2 比特位宽数据总线 3 3 m h z 总线频率 支持突发传输工作方式 p c i 仲裁器支持5 个独立的外部p c i 主设备 如上所述，开发板可以支持5 个独立的外部p c i 主设备，所以开发板上集成了1 个具有标准p c i 接口的网卡芯片和4 个p c i 插槽。其中，网卡j 高片使用的是r e a l t e k 吖e 冲件渖l 三l 罴慧l三；l叫脚胜叫 北京化t 人学碗i 学位论史 图中各信号说明如下表2 4 所示。 表2 1 4p c i 总线接口信号说明 t a b i e2 - 4t h ei l 】u m i n 撕锄o f p c ih si n t e r f a c es i n g a l 信号名称功能说明 地址与数据总线 设备申请使用总线信号 允许设备使用总线信号 字节使能 中断申请 总线复位 总线起始 总线锁定 主设备准备好 目标设备准备好 停止当前总线传输 设备选择 系统校验错误 p a d 3 1 ：o 和c b e 芈 3 ：o 奇校验 远程唤醒 时钟停止信号 时钟运行信号 2 2 6l d e 硬盘 d e ( 1 1 1 t e 舯t c d d r i v ee l e c 仃d i l i c s ，集成驱动器电子) 是指把控制器与盘体集成在 一起的硬盘驱动器。通常我们所说的i d e 指的是硬盘等设备的一种接口技术。 i d e 接口也口q 觚a ( a d v a n c e d 讹0 1 0 9 y a t t a c h m e n t ) 接口，现在个人电脑使用 的硬 囊堑窑曼强 羹羹l薹塞磋呈 霉羹至囊莺咤 毒冀擘囊辜塞耋 吾? 饕孽垂挚呈i 萋：委|c霸!薹li；l ! ； ，专鼍叠；ri：摹；耋 夔矍窖占；乎i莠 曩雷毒辱薹i 嘉；蘸l 蠢 ； 旌 薹蓦巍薛i 蠢l ； 圭i ? _ ；摹乏i 囊l 蓑 第一章低成本架构及原理削设计 桥同i d e 接口信号连接图如图2 1 3 所示。 d d 1 5 ：o d a 2 ：o d c s 半 1 ：o d d r e q d d a c k 木 d 1 0 w 半 i 卜 - - - 一卜 d d 1 5 ：0 d a 2 ：o d c s 宰 1 ：0 d d r e q d d a c k 奉 d 1 0 w 丰 d i o r 木- 卜d 1 0 r 木 d 1 0 r d y d 1 0 r d y d i r q 一 d i r q p c i r s t 木- - -p c 工r s t 掌 北桥i t 8 1 7 2i d e 接口 图2 1 3 北桥同i d e 接口信号连接图 f i g 2 - 1 3n ec o 蛐e c t i o no fs i 薹皿a 1b e t 、v e e nn o m lb r i d g ea i l dd e 图中各信号说明如下表2 5 所示。 表2 - 5i d e 接口信号说明 t a b l e2 - 5t h ei l l u m i i l a t i o no fi d ei n t e 曲c es i n 印a l 信号名称功能说明 d d 1 5 ：o d a 2 ：o d c s 丰 1 ：o d d r e o d d a c k 木 d i o w 半 d l o k 木 d i o r d y d i r q 数据总线 地址总线 片选信号 d m a 请求 d m a 应答 总线写 总线读 i o 操作结束 中断请求 2 2 7a c 9 7 声卡 a c 9 7 是a u d i oc o d e c 9 7 的缩写，它所定义的是一种在主流计算机中实现音频特 性的方法。1 9 9 6 年6 月，5 家p c 领域中颇具知名度和权威性的软硬件公司共同提出 北京化丁人学颂 “学位论文 的是2 5 针d 形接头。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样 数据传送速度大大提高。 早期的并口是单向口，它只是简单的把数据从计算机传送到打印机。随着双向并 口的出现，并口的用途也越来越广泛。相较于串口它有传输快，可靠性高，编程简单 的特点。在近距离通信方面正在逐步取代串口。 北桥并口控制器支持s p p ，e p p 和e c p 三种模式。北桥同并口信号连接图如图 2 1 5 所示。 p p d 7 ：o _ 二：、，p p d 7 ：0 s t b 掌 一一s t b 术 a f d 幸 -a f d 木 e r r 宰一e r r 幸 init木-卜i n i t 木 slin牛l卜s l i n 木 a c k + 一一a c k 半 b u s y _ 卜一b u s y p e 一- p e s l c t - s l c t 北桥i t 8 1 7 2并口 图2 1 5 北桥同井口信号连接幽 f 远2 1 st h ec o n n e c t i o no fs i g 芏i a lb 脚e 锄n o r n lb 喇g ea n dp 啪i i e lp o n 图中各信号说明如下表2 _ 7 所示。 表2 7 并口信号说明 t a b k2 - 7t h ei l l u m i n a t i o no f p a r a l l e lp o r ts i 印a l 信号名称功能说明 p p d 7 ：o s 1 、b 术 a f d 水 e r r 木