（计算机应用技术专业论文）龙芯2f处理器评估板的设计与实现.pdf

龙芯2 f 处理器评估板的设计与实现 摘要 龙芯2 f 处理器是一颗正准备量产且大规模应用的高性能通用处理器芯 片。与外围专用器件的应用相比，龙芯2 f 有接口频率高、板级设计难度大、 应用领域广的一系列特点。 该论文的目的就是在充分理解龙芯2 f 体系结构、接口规范和电气特性 的基础上，研制具有高性能及丰富接口的龙芯2 f 评估板，给用户提供一个 可靠的基于龙芯2 f 处理器的性能评估, n - 次开发的硬件平台，且通过评估 板的研制，给出了在龙心- - 1 - t - 2 f 处理器的板级设计中各关键模块的设计方法和 各环节的设计流程，给后来的开发者提供一个基于龙芯2 f 处理器的可靠的 板级参考设计。 在评估板的架构和原理图设计中，结合系统的功能和设计要求，制定 出硬件实现的板级架构，且根据各模块的预期功能进行芯片选型和模块设 计，进而根据评估板的系统资源特点和各模块的需求进行系统资源的设计 和分配，从而完成整体的原理图设计。其次，在p c b 设计中，为使关键信 号的信号质量达到最优，提出了前期约束后期仿真的布线机制，前期在分 析信号完整性问题的主要成因及常用的解决方法的基础上，结合评估板各 接口的信号时序及电气特点，制定出整板p c b 设计约束，进而在约束的指 导下完成布局布线：后期对关键信号进行仿真，根据仿真结果调整电路参 数和布线约束，以最优化关键信号的信号质量，实践证明该机制提高了高 速信号系统板级设计的可靠性。再次，给出了评估板的调试流程，并给出 了每个步骤的调试方法和调试中常见的故障，为使板级实际的关键信号质 量达到最优，测试、分析并优化了系统电源和时钟信号的信号质量，进而 完成了评估极的硬件调试。最后使用s t r e a m 、n e t p e r f 、h d p a r m 、x 1l p e r f 和i o z o n e 等测试软件对评估板的访存速度、网络性能、外存的访问速度、 显示性能和p c i 总线带宽等各项关键性能进行测试和评估。 性能测试和高强度的可靠性测试结果表明，龙芯2 f 评估板的系统性能 达到了预期的设计目标，可以作为参考样板可靠地提供给合作厂家作为性 能评估和二次开发使用，且评估板设计中各关键模块的设计方法和各环节 的设计流程可以作为参考设计广泛应用在其它龙芯2 f 处理器的板级设计 中。评估板的成功设计对龙芯产业化的进程起到了一定的促进作用。 关键词：龙芯2 f ，处理器，评估板，高性能 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe v a l u a t i o nb o a r db a s e do n g o d s o n 2 fc p u a b s t r a c t g o d s o n 2 fc p ui sag e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o rt h a ti sr e a d yf o rm a s s p r o d u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n t o c o n t r a s tw i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h eo t h e r p e r i p h e r ya s i c ，t h ed e s i g no fg o d s o n 2 fb a s e db o a r dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g hf f e q u e n c y ，h i g hd e g r e eo fd i f f i c u l t ya n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o na r e a b a s e do nc o m p r e h e n d i n gt h ea r c h i t e c t u r e ，t h ei n t e r f a c ea n dt h ee l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i co ft h eg o d s o n 2 fc p uc o m p l e t e l y , t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o d e v e l o pt h eg o d s o n 2 fc p ub a s e dh i g hp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nb o a r dw h i c h i n c l u d e sa b u n d a n tp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ，a n d v i a t h e d e v e l o p m e n t o ft h e e v a l u a t i o nb o a r d ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h ek e ym o d u l ea n dt h ed e s i g np r o c e d u r e o f e a c hp h a s eo fg o d s o n 2 fc p ub a s e ds y s t e md e s i g na r e g i v e n a tt h eb e g i n n i n go ft h es c h e m a t i cd e s i g n ，b a s e do nt h es y s t e mf u n c t i o na n d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h eb o a r dc a nb ei n s t i t u t e d ； a f t e r w a r d s ，t h ec h i ps e l e c t i o na n dm o d u l ed e s i g nf o re a c hf u n c t i o n a lm o d u l e s h o u l db ec o m p l e t e d ，d u r i n gt h es y s t e md e s i g n ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e v a l u a t i o nb o a r da n dt h er e q u i r e m e n to fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e ，t h es y s t e m r e s o u r c ec a nb ed e s i g n e da n da s s i g n e d ，a n df i n a l l y , t h es c h e m a t i cd e s i g no ft h e k e ym o d u l ea n ds y s t e mc a nb es t a r t e d i no r d e rt os o l v et h es i g n a li n t e g r i t y p r o b l e mi nt h ep c bd e s i g n ，t h i sp a p e rb r i n g sal a y o u tm e c h a n i s mo fr e s t r i c t i o n i na d v a n c ea n ds i m u l a t i o ns u b s e q u e n t l y , f i r s t l y , t h em a i nc a u s a t i o no ft h es i g n a l i n t e g r i t yp r o b l e ma n dt h eu s u a ls o l u t i o na r ea n a l y s e d ；s e c o n d l y , b a s e do nt h e t i m i n gr e q u i r e m e n ta n dt h e t h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ei n t e r f a c eo nt h e e v a l u a t i o nb o a r d ，t h ep c bd e s i g nr e s t r i c t i o ni sc o n s t i t u t e d ，u n d e rt h eg u i d a n c e o ft h er e s t r i c t i o n ，t h ep l a c e m e n ta n dt h el a y o u td e s i g na r ef i n i s h e d ，f i n a l l y , i n o r d e rt oo p t i m i z et h es i g n a lq u a l i t y , t h ek e yh i g h s p e e ds i g n a l sa r es i m u l a t e db y t h ep r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o nt o o l ，t h em e c h a n i s mi m p r o v e st h ed e s i g nr e l i a b i l i t y o ft h em o t h e r b o a r dw h i c hc o n t a i n sh i g h s p e e ds i g n a l s t h ed e b u gf l o w , m e t h o d a n dt h ef a u l tm o d e lo ft h ee v a l u a t i o nb o a r dd e b u g g i n ga r eg i v e ni nt h i sp a p e r , t h ep o w e rs u p p l ya n dt h ek e yc l o c ks i g n a l sa r et e s t e d ，a n a l y s e da n do p t i m i z e d l a s t l y , t h ep e r f o r m a n c eo f m a i nm e m o r y ，t h en e t w o r k ，a u x i l i a r ym e m o r y ，t h e g r a p h i ce n g i n ea n dt h ep c ib u sa r et e s t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gb e n c h m a r k ， s t r e a m ，n e t p e r f 、h d p a r m 、x l lp e r f 、i o z o n e a n ds oo n t h et e s tr e s u l to ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yi n d i c a t et h a tt h e d e s i g no ft h eg o d s o n 2 fb a s e de v a l u a t i o nb o a r dh a v ea c h i e v e dt h ep r o s p e c t i v e g o a l ，s ot h eg o d s o n 2 fc p ub a s e de v a l u a t i o nb o a r dc a nb ep r o v i d e dt ot h e c o o p e r a t i v ec o m p a n yf o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dt h ep r o d u c te x p l o i t a t i o n ， a n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h ek e ym o d u l ea n dt h ed e s i g np r o c e d u r eo fe a c h p h a s eo ft h ee v a lu a t i o nb o a r dc a nb ee x t e n s i v e l yu s e da st h er e f e r e n c ed e s i g ni n t h eo t h e rg o d s o n 2 fb a s e db o a r dd e s i g n t h es u c c e s s f u ld e s i g no ft h eg o d s o n 2 f b a s e de v a l u m i o nb o a r dp l a y sa na d v a n t a g e o u sr o l ei nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h e g o d s o nc p u k e yw o r d s ： g o d s o n 2 f ，c p u ，e v a l u a t i o nb o a r d ，h i g hp e r f o r m a n c e 首都师范大学学位论文原创性声明 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，均己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。 靴敝储雠：关少礁： z 0 0 8 n 年0 月0 h同期：年 七 月6 首都师范大学学位论文授权使用声明 学位论文作者完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权 将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 更少棱 日期：2 。o 猡年 。f 月 。石 日 前都帅范人学倾一他论殳 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 龙芯2 f 处王哩器足一颗i f 准备量产且火规模应用的高性能通刚处理器：卷片。与外围号 用器件的应用相比，龙j 醛2 f 有接l l 频率高、板级设计难度大、应用领域广等的特殊性。 可以按照软件开发和硬件开发，将龙芯的企业级用户分为两类：一类足从事软件开发 的企业，希望把相应的软件产品移植到已有的龙芯平台上，结合龙芯的特点加以推广，这 类用户对龙芯平台的要求是平台系统需要有高的性价比、一定的扩展性以及相应的功能接 口：另外一类是可做硬件开发的食业，这类企业多数有一定的行业背景，希望在龙芯性能 满足要求的情况下，设计专用的龙芯平台来替换目前的其他平台产品，这类用户有两种需 求，首先是在立项之前需要有一个龙芯性能评估的平台，这个平台同样需要具备高的性能 及相应的扩展接口，用来评估龙芯在该行业应用的性能：另外，在立项之后，为减小设计 风险和缩短产品的上市时问，需要有一个高可靠性和高性价比的龙j 醛参考设计方案，用户 在该参考设计方案上做少许的修改，即可以设计出满足性能和成本要求的产品。 基于这两类用户的需求，在龙芯2 f 处理器大规模应用之前，需要预先设计出款具 有高性价比和丰富接口以满足各类应用的评估板平台，另外，通过评估板的设计，为用户 提供一个基于龙芯2 f 处理器板级设计的参考方案，该方案给出了龙：卷2 f 处理器板级平台 中关键模块的设计方法和各环节的设计流程，从而缩小用户硬件开发的周期和风险。 本文正是在龙芯2 f 处理器需大规模应用的产业化环境下，为满足龙芯用户需求的考 虑上立项设计的。 1 2 本文的目的和意义 该论文的目的就是在充分理解龙芯2 f 体系结构、接口规范和电气特性的基础上，研 制具有高性能及丰富接口的龙芯2 f 评估板，给用户提供一个基于龙芯2 f 处理器的可靠的 评估平台和板级系统解决方案。 评估板的作用有三点，首先集成了丰富的外围芯片和接口，方便用户搭建基于龙芯2 f 的硬件快速演示原型；其次，作为一个可靠的高性能独立系统，它可以满足用户在开发板 上进行性能评估和软件开发移植的需要；最后，用户也可以尽快地熟悉基于龙芯2 f 处理 器的硬件开发环境，在二次开发时，可以参照评估板设计方法和经验，高效地设计出具有 高性价比的产品，缩短了研发周期。 性能测试和高强度的可靠性测试结果表明，龙芯2 f 评估板的系统性能达到了预期的 设计目标，可以作为参考样板可靠地提供给合作厂家作为性能评估和二次开发使用，且评 估板设计中各关键模块的设计方法和各环节的设计流程可以作为参考设计广泛应用在其 前挪帅范人。坝i j 学位论文 它龙：笛2 f 处理器的板级设计中。评估板的成功设计对龙：卷产业化的进程起剑了一定的促 进作用。 1 3 本文的主要工作 本文结合龙芯2 f 处理器的技术特性，设计并实现了一个具有丰富接口和商性价比的 评估板解决方案，且通过评竹板的设计，给出了在基于龙j 占2 f 处理器的板级设计巾各天 键模块的设计方法和各环节的设计流程。 下面详细介绍一下本文的工作： 在充分理解龙：笛2 f 的体系结构、接口规范和电气特性基础下，完成评估板系统 架构和原理图设计，架构设汁包括了系统的拓扑结构和接口助能的扩展方的设 计，而原理图设计则详细分析了系统资源的分配和各接f 1 模块的特点和设计考 虑，给出了系统和各模块的具体实现方法。 在评估板p c b 设计中，针对信号完整性问题提出了先期约束后期仿真的设计方 法。首先分析了岛速信号的信号完整性问题的成因和常用的解决方法；然后介绍 了先期约束后期仿真的设计方法在评估板p c b 设计中应用：先是给出了评估板 布局布线过程中为保证信号质黾所使用的设计约束，然后给出了使用仿真工具对 板级的高速信号做后仿真，从晌根据仿真结果来调整原理图没计和相应布线约束 的方法。 对完成焊接的评估板进行板级调试，首先给出了系统的调试流程，然后详细分析 了每一个调试步骤的分析方法和常见故障模型。对于关键信号如板级时钟，给出 了实际测试的信号质量和介绍了通过电路参数的微调使信号质量最佳化的方法； 对于总线调试，给出了使用f p g a 作为总线时序调试工具的方法。 使用s t r e a m 、n e t p e r f 、h d p a r m 、x l1 p e r f 、i o z o n e 等测试工具测试和分析了系 统的主要功能模块的性能，如d d r 2 接口的访存带宽、网络控制器的吞吐率、外 存的访问速率、显示控制器的图形操作性能、p c i 总线的有效带宽等，长时间地 运行性能测试程序也保证了系统高的可靠性。 1 4 本文的组织结构 本文主要分为五章，具体各章内容如下： 第一章，本文的绪论部分。首先介绍了本文研究背景；然后分析了评估板设计的目的 和意义；最后介绍了本文的主要工作。 第二章，讲述了评估板的系统架构及原理图的设计。首先给出了评估板的总体硬件架 构；然后结合龙芯2 f 处理器的特点及评估板的目标应用，详细介绍了各功能模块的技术 2 订都帅范人学f 啦! l j 学f t 论爻 特点、芯片选型、实现的方法及设计考虑。 第三章，主要介绍了评估板的p c b 设计。首先简要地讲述了高速信号完整性问题的主 要分类及相应成因；然后介绍了评估板p c b 设计中采用的先期约束后期仿真机制，且详细 给出了布局布线的设计方法及十f 1 应的约束；最后给出了通过天键信t j i 1 网络的后仿真，根据 仿真结果调整原理图设计参数和p c b 布线约束的的方法。 第四章，本章讲述了评估板的板级凋试及系统性能的测试结果。首先介绍了评估板的 总体凋试流程；然后详细介绍了关键模块的调试和优化方法：最后介绍了使用测试软件对 系统关键模块的性能测试方法和测试结果。 第五章，总结全文。首先总结了本文的工作，然后给出了下一步的工作方向。 3 前都师池人学倾i j 学化沦义 第二章系统架构及原理图设计 在评估板项目设计初期，首先需要设计出板级系统的硬件架构，也就是系统各功能模 块的拓扑结构设计和各模块主芯片的器件选型。紧接着就是系统和备模块的具体实现，也 就是原理图的设计。 按照上述的设计流程，本章分为两节，第一节介绍了系统的架构设；卜，拓扑结构 ：充 分利用了处理器的l o c a li o 总线和p c i 总线进行外围功能的扩展，另外，主功能器件的选 型是在结合评估板的功能需求的基础上，充分考虑器件的性价比、易采9 均性和技术支持等 方面的因素；第二节详细介绍了系统和各模块的特点、设汁考虑和具体实现，充分地考虑 了系统资源的分配和各接 j 模块的总线时序和电气特性。 2 1 评估板系统架构设计 2 1 1 评估板架构设计 评估板的架构设计是以龙：占2 f 处理器为核心，设计系统的拓扑结构，也就是各功能 模块的扩展以及主芯片的器件选型。 龙芯2 f 处理器提供给外部作为功能扩展的总线主要是l o c a l l o 和p c i 总线，其中p c i 总线是现在最为流行的计算机总线标准之一，在功能扩展上有丰富的器件可以选择。由于 p c i 总线有较高的总线带宽和驱动能力，在评估版上主要是用来扩展高速功能模块，如网 络、显示和南桥；而l o c a l l o 总线是低速的并行总线，主要用来扩展系统启动b i o s 芯片 和其他的低速设备。 外围主器件的选型直接影响到系统的整体性能和生命周期，选型时需考虑的因素如表 2 1 所示。 表2 1 器件选型时需考虑的儿个问题 t a b 2 1t h es e l e c t i o nc o n s i d e r a t i o no fc h i pc a t e g o r y 序号考虑因素原因 l积累的设计和库存对于已使用过、可以满足设计要求且有一定库存的器件， 比如评估板上的南桥芯片，在器件选型时需优先选用 2 接口形式和电平需要选用与系统可无缝连接的芯片，以显示芯片为例，其 接口需要和p c i 规范兼容 3 性能器件的性能和扩展接口的标准需要满足设计的要求，最好 使用器件的评估卡测试一下实际的性能 4 价格量产对每个器件的价格都会十分敏感，设计时优先使用正 在大规模生产的器件，避免使用刚上市或已停产的器件 4 前f s q f t i 范人学缅! l j 学化沦爻 5 封装 器件的集成度对空i 日j 紧促的板级设汁复杂性有较大影响， 为实现相同的功能，集成度不商的器件需更多的辅助器件 6 功耗 允分考虑到1 j 能彳能设计出有竞争力的产品，功耗还影响 到整板的敞热和系统的稳定性，对j r 电源芯片来说，电源 的转换效率则是选型的一个噩婴考虑 7 生命周期 在选用一款器件之前，需要对它的r o a d m a p 有清楚的了解， 尽量选用生命周期较长的器件。在鼍产时这肘采购的便利 性、价格和技术支持程度，甚至整个设计的乍命周期都有 重大影响 8技术支持 需要了解器件是否是该设计厂家的主推产品，设计厂家对 主推产品会有强大的支持力度 根据以上原则，评估板根据设计的功能要求，各功能模块选择了以下芯片，如表2 2 所示。 表2 2 功能模块的器件选择 t a b 2 2t h ec h i ps e l e c t i o no ft h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e 模块名称选用的器件简介 电源处理器核：a o z l 0 1 4a l p h a & o m e g a 公f d 的产品，a o z l 0 1 4 和 d d r 2v d d q ：a o z l 0 1 7a o z l 0 1 7 分别可以稳定输出5 a 和3 a 的电流， 显示芯片核：a o z l 0 1 7且均集成m o s 管，有高的性价比 南桥v t 8 2 c 6 8 6 加 v i a 公司最经典的p c i 接口南桥，可以提供评 估板所需的丰富外围接口 网络r t l 8 1 3 9 d r e a l t e k 公司1 0 m 1 0 0 m b p s 的网络控制器， 广泛地应用在p c i 接口的网卡上 显示控制器：s i s 3 1 5 es i s 3 1 5 e 是x g i 公司( 原来s i s 公司的图形部 门) p c i 接口的图形产品，具备2 d 加速、v i d e o 桥芯片：s i s 3 0 1 c 加速和运动补偿等功能，和s i s 3 0 1 c 搭配，可 为评估板提供丰富的显示接口 帧缓存：w 9 8 1 2 g 6 g h w 9 8 1 2 g 6 g h 是w i n b o n d 公司的s d r a m 芯片， 规格为4 枣1 m * 1 6 b i t ，容量是1 6 m b l o c a l l o 到 x c 3 s l o o ex i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列f p g a 产品，可 l p c 转换以提供2 1 6 0 个l o g i cc e l l s 和6 6 个i o 管脚 u s b 到s d a u 6 3 3 1 a l c o r 公司u s b 接口系列的产品，可以兼容 卡转换u s b l 1 和u s b 2 0 接口 评估板的架构设计主要由龙芯2 f 处理器、南桥( v t 8 2 c 6 8 6 a b ) 、内存模块、网络控 制器( r t l 8 1 3 9 d ) 、显示模块( s i s 3 1 5 e ) 、l o c a li o 到l p c 总线转换电路( x i l i n xf p g a 5 前 f i ；帅北人学硕l ：学位论文 x c 3 s 1 0 0 e ) 、b o o t r o m 、时钟发生电路、电压转换( d c d c ) 电路、系统复位和中断路由 等部分组成，系统结构如图2 1 所示。 s y s t e ma r c hit e c t u r e ： d v i i s v i d e o a v 端子 图2 1 系统结构设计不意幽 f i g 2 is y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h ee v a l u a t i o nb o a r d 从图2 1 可以看出，龙芯2 f 处理器整合了北桥的功能，该系统结构( 处理器和南桥配 套) 和业界主流的南北桥结构相比有低成本的特点。系统的扩展功能模块( 网络、显示和 南桥) 充分利用了p c i 总线进行扩展，同样可以看出，为满足二次丌发的需要，评估板的 一个特点是为外围应用提供了丰富的主流扩展接口。 对于结构图中各模块的设计方法和考虑在本章2 2 节中会逐一给以详细的介绍。 2 1 2 评估板的功能接口 为满足应用的需求，评估板通过处理器的接口总线、南桥、显示控制器、网络控制器 等主模块扩展了丰富的外围接口。其中支持的扩展总线有d d r 2 总线、p c i x 总线、l p c 总线、l o c a li o 总线、i s a 总线、u s b 总线等，允许用户在这些标准总线接口的基础上， 扩充针对特殊应用场合的其他设备；同时系统可接入的外存有i d e 磁盘、n o rf l a s h 、n a n d f l a s h ；另外系统还提供了丰富的显示接口，如v g a 、d v i 、d v o 、s - v i d e o 和复合端子显 示等。具体功能接口简介如下： 6 前酃帅范人学坝l j ! 位论文 2 个d d r 2s d r a m 扩展槽，数据速率支持d d r 26 6 7 ，最大支持2 g b 的容量； 2 个3 2 b i t 3 3 m h zp c i 扩展槽； 1 个l o c a li o 扩展总线，支持8 - b i t 位宽不同容量的n o rf l a s h 存储没备； 1 个l p c 接口，可以扩展丰富的s u p e r l o 功能： 1 个自适应的1 0 1 0 0 me t h e r n e t 接口； 1 个v g a 显示接口，可支持现在主流的模拟v g a 显示器： 1 个d v i i 显示接口，可支持模拟v g a 输出或数字l c d ； 1 个数字d v o 显示接口，支持t f tl c d 显示； 1 个s - v i d e o 接口，可支持接收s v i d e o 电视输出； 1 个a v 端子，可支持带复合端子的电视输出； 1 个s d m m c 卡口，支持s d m m c 接口的n a n df l a s h 或无线例络设备； 1 个c f 卡口，可以更好地发挥出n a n df l a s h 的大容量特点； 1 个i d e 硬盘接口，支持u l t r a d m a l 0 0 6 6 3 3 ； 1 个i s a 扩展槽接口，支持目前工控领域广泛使用的i s a 设备，如i s a 网卡； 2 个支持u s b l 1 规范的u s b 端口； 2 个全功能的r s 2 3 2 串口； 1 个1 2 c 总线扩展，以支持系统对内存的参数配置和管理； 1 个软盘接口； 1 个支持s p p 、e p p 和e c p 三种工作模式的d 2 5 并口： 1 个红外接口； p s 2 键盘、鼠标接口各1 个； a c 9 7 提供麦克风( m i c ) 输入、耳机( h p ) 输出和音频( l i n e ) 输出接口各1 个； 4 个处理器的g p i o 口； 2 2 评估板原理图设计 2 2 1 电源模块 电源方案是整个系统设计的关键，其作用是把主机电源输送过来的电压进行转换，并 且对电流进行整流和滤波，滤除各种杂波和干扰信号以保证系统的稳定工作。电源的性能 在很大程度上将直接影响系统的可靠运行，实践经验表明，在工业控制计算机因外部干扰 引起的故障中，8 0 以上都是因为电源的原因产生的。 为满足评估板电源需求的多样性，因此系统采用了a t x 电源供电，a t x 电源主要为 系统提供所需的3 3 v 、5 v 和+ 1 2 v 的电源。系统电源结构示意图如图2 2 所示。系统加 电的流程是当用户按下主板电源开关，南桥即检测到开机信号，随后向a t x 电源发出低电 7 前都| j l l i 弛人学顺i ：学位论文 平的丌启信号( p s o n ) ，这时a t x 电源会打丌所有的电源输出，当各路电源输出稳定之后， a t x 电源会发出电源输出已乖常的a t xp o w e rg o o d 信号，系统检测到该信号后会进 入正常的启动程序。 + 5 v s b 为a t x 输出的系统待机f 色压( 经l t i1 1 7 转换成+ 3 v s b 后作为电源丌关和南 桥电源管理部分的待机电源) ，山d c d c 生成的1 2 v 提供c p u 所需的核电压，1 8 v 作为 d d r 2s d r a m 的v d d q f 乜源使用，而1 9 5 v 则提供给显示：邕：片的核电压使用，另外，3 3 v 、 5 v 和1 2 v 则为系统其他部分供电。 + 3 v s b = i 一 + 5 v s b 一 5 v 匕：i 一 一1 2 v 一 r 1r 蠹用户翮瞄： v t 8 2 c 6 8 6 ba t x 电源歼启信号 a t x + 1 2 v p o w e r p s o n m a n a g e m e n t a t x p o w e r ( 7 , 0 0 d 处理器 核电压 d i ) r 2s d r a 誓 v d d q 显示芯片核 电压 斟2 2 系统电源结构殴计不意图 f i g 2 2p o w e rs u p p l yd e s i g no ft h ee v a l u a t i o nb o a r d 选择a t x 的1 2 v 输出作为d c d c 转换的输入，这足由1 2 v 电源带负载能力最强决 定。为实现板上d c d c 转换，可以考虑采用l d o 线性转换电源或丌关电源。l d o 电源成 本远低于丌关电源，但效率低、输出电流小并且发热量大，l d o 的效率等于输出电压和输 入电压之比，为提高效率必须要求输入输出之阳j 是低压差，很难满足处理器大输入电流和 高效率的要求。系统设计时采用了a l p h a & o m e g a 公司的丌关电源产品a o z l 0 1 4 来生成 处理器核电压，该芯片最高可稳定输出5 a 的电流，完全可以满足处理器全负载时的需求 ( 2 f 处理器在6 0 0 m h z 的频率下总功耗是2 8 7 w ) ；而采用2 片a o z l 0 1 7 分别来生成v d d q 和显示芯片核电压，该芯片最高可稳定输出的电流为3 a ，在任何负载下a o z l 0 1 4 和 a o z l 0 1 7 均有着高于9 5 的转换效率。另外，由于a o z l 0 1 4 和a o z l 0 1 7 均集成了作为 开关电源上下管的2 片m o s f e t ，且是q f n 封装的产品，不仅有高的性价比，且占用空 间非常小，非常适合在空问紧凑的计算机主板上使用。 2 2 2 系统复位 在评估板上，龙芯2 f 是作为p c i 桥来使用，如图2 3 中处理器引脚s y s r e s e t n 此时是 作为处理器的复位输入来使用，而p c i是处理器用来复位外围设备的输出信号。 根据龙芯2 f 数据手册的要求，当处_ r 理e 器s e 的t n 复位信号s y s r e s e t n 为低时，相关的时钟、 测试信号和初始化信号都必须有效： s y s c l k ，m e m c l k ，c l k s e l 和p c ic l k 必须稳定； 初始化信号p c ic o n f i g 应该被设置为合适的值； r 汀部师范人学坷! l j 学f 讧沦史 t e s t _ c t r l 7 ：0 都为高； 当s y s r e s e t n 变为无效时，处理器内部的复位逻辑歼始初始化：笛片。s y s r e s e t n 应至少在一个时钟剧期内有效，以f 采证复位逻辑能用来取样。处理器复化时序如图2 3 所 不o 1 ( 5 硼r r r r 黛厂 nr r nr r 1 _ 厂嚣珊几几厂 厂甄几nr 几几r r j ( | 1 ilr 甄illr f 一 - 酬二二燕互二 二亘二二二二二x 二三互二二二二卜 l 一、儿一一- ，- 、 1 m d l a i c i c j 1 l ，。一 - 弋厂 黼弋 n 厂一 、。一1 l j 图2 1 1l o c a lb u s 总线写时序 f i g 2 11t h ew r i t et i m i n go f l o c a lb u s l o c a li o 总线信号如表2 5 所示。龙芯2 f 最大支持3 2 m b 的b o o tr o m 空间。在评估 板系统中，b o o tr o m 用来存放b i o s 程序，以便系统进行初始化配置和引导操作系统。 为评估板定制的b i o s 代码编译后需占用3 0 0 k b 左右的空间，因此选用了s s t 公司5 1 2 k b n o rf l a s h 器件s s t 3 9 s f 0 4 0 作为系统b o o tr o m 。另外，采用i d t 公司1 6 b i t 数据宽器件 i d t 7 4 f c t l6 3 3 7 3 c p v 锁存复用信号l i o a d 在地址周期时的高位地址，使用l i o a d l o c k 信 号作为锁存控制。 1 7 前部师范人譬顺i j 学化论炙 表2 5l o c a li o 总线接l l 信号说明 t a b 2 5t h ei l l u m i n a t i o no fl o c a l1 0i n t e r f a c es i n g a l 信号名称功能说明 l o _ a d 【1 5 。】当a 。l 。c k 磁：茧髫嚣辊地址；数捌总 l i oa 7 ：0 】 最低的8 位地址总线 l i oc s n局部i o ：占片选择 l i or o m c s n 局部i or o m 芯片选择 l i ow r n局部i o 写使能 l i or d n局部l o 读使能 l i oa d l o c k局部i o 地址锁存 l i od i r局部i o 方向 l i od e n局部i o 设备使能 2 2 7f l a s h 器件 评估板提供了l o c a li o 总线以扩展n o rf l a s h 作为b o o tr o m ，用来存放用户自己改 进后的b i o s 代码，并且通过u s b 总线和i d e 接口，分别扩展出s d m m c 卡口和c f 卡 r j 以支持n a n df l a s h ，用来存放普通大容量数据。这些接f - l 让评估扳的存储方式更力l l 十 富，现将这两种f l a s h 的技术特点和比较如下。 n o rf l a s h 和n a n df l a s h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o rf l a s h 最大 的优点足芯片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在n o r 闪存内运 行。这个特点的好处很明显，如评估板刚上电启动时，处理器的c a c h e 和系统内存( r a m ) 还未来得及初始化，这时系统的初始化代码都是在n o rf l a s h ( b o o tr o m ) 中取指，当相 应的初始化工作完成之后，其余的代码就会从n o rf l a s h 中拷贝到系统内存中执行。 n o rf l a s h 是一种并行结构，由于有足够多的地址信号线，n o rf l a s h 可以寻址到内 部的侮一个字节，允许做b y t e p r o g r a m 的操作，因此有很高传输效率，4 m b 以下小容量时 有很高的性价比。n o r 和n a n d 在做写操作前，均需要对该字节的整个扇区( s e c t o r ) 块( b l o c k ) 执行擦除操作，两种f l a s h 的擦除操作都是以扇区块为单位进行的，但是相比 于n a n d ，n o r 较低的擦除速度影响了其写的性能。以评估板上使用的5 1 2 k bb o o tr o m ( n o r ) 器件s s t 3 9 s f 0 4 0 为例，执行一个4 k b 的扇区擦除的典型时间需要1 8 m s ，而n a n d 器件是以8 - - 一3 2 k b 的块进行擦除的，以s t 公司的n a n d 5 1 2 a 为例，对一个1 6 k b 的块 执行相同的操作最多只需要2 m s 的时间。另外，n o r 的容量较小，一般以m b 为单位， 而n a n d 的容量却已突破了1 0 0 g b 。 相对于n o r ，n a n df l a s h 结构强调大容量，降低每比特的成本，快速的写入和擦除， 并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。应用n a n df l a s h 的困难在于，和磁盘类似，由 于存在随机分布的坏块，需要做e c c 校验方能保证数据正确性，另外，对n a n d 的管理 需要特殊的系统接口。 1 8 首闸嘶n 地人举帧l j f 讧论文 c f 卡和s d m m c 卡，其实质上都是基于n a n df l a s h 的不同系统接口，具有上述 n a n d 的所有特点，只足在n a n df l a s h 的基础上分别加了控制电路。棚对于s d m m c 卡，c f 卡具钉存储容s r 旦a l _ 大、每比特的成本低、兼容性好的优点，满足v 2 0 规格要求的c f 卡具有1 6 m b s 的传输速率，最人容量可以支持到1 3 7 g b ，f f ! 足c f 卡的体积较大。而s d 卡的数据传输速率也可以达到2 5 m b s ，容量i 叮以支持到2 0 4 8 m b ，s d 卡最大的特点就是 可以通过加密功能，保证数据资料的安全保密。 评估板上c f 卡口通过i d e 接u 扩展，c f 和i d e 的接口信号除线序不同以外完全一 致，i d e 接口信号在后面的小节中有具体的介绍。s d m m c 卡控制器通过a l c o r 公司的 a u 6 3 3 1 扩展，该芯片的功能就是把u s b 接口转换为s d