【《龙芯CPU主板结构及功能规划分析》3600字】

龙芯CPU主板结构及功能规划分析目录TOC\o"1-3"\h\u16294龙芯CPU主板结构及功能规划分析 186311.1龙芯CPU概述 1316111.2主板功能设计 326201.1.1主板功能接口与技术指标需求 4302091.1.2主板结构规划 6261201.1.3功能模块划分 7188451.1.4CPU散热要求 8本章简要对龙芯CPU的发展历程作了基本概述，同时在调研分析市场PC需求以及国内信创产业电子替代对于PC功能性能的要求的基础上，结合龙芯3A4000技术特性及龙芯7A1000桥片可支持扩展的功能模块，确定了主板总体架构，主要包括功能拓扑结构及接口实现方法。最后依据各个接口对主板的功能模块进行了划分。1.1龙芯CPU概述龙芯从创立之初，其目标就是完善并解决我国芯片核心技术亦或是信息产业核心技术严重缺失的问题，打破国外的战略封锁，为国家的安全以及信息产业的创新发展注入新的活力，提供自主可控、高能低耗的处理器。自2001年开始研发，在国家重大项目如863等以及各地政府和企业的大力支持下，经过多年的技术积累，到目前已经有三个系列若干不同型号的处理器，还有专门配套于3号系列的的龙芯7A1000桥片。龙芯系列芯片产品如下图2-1所示：图2-1龙芯系列芯片产品Figure2-1ThechipproductsofLoongsonseries由上图可以看出，从2001年到2020年，从论证确定实施方案到选择技术路线，从龙芯1号到龙芯3号，其性能、技术以及应用能力等方面都有稳步快速的提升[19]。各项发展情况可以总结如下图2-2所示（图中各项数据来源于龙芯白皮书）：图2-2龙芯CPU发展概况Figure2-2ThedevelopmentofLoongsonCPU本次课题研究所用CPU龙芯3A4000是龙芯3号系列处理器中第一款基于GS464v微架构的四核处理器，同时也是目前龙芯最新的产品，采用28nm制造工艺，主频稳定工作在1.5GHz-1.0GHz[20]。主要技术特征如下图2-3所示：图2-3龙芯3A4000技术特征Figure2-3ThetechnicalfeaturesofLoongson3A4000同时其整体架构实现将4个处理器核及多个2级Cache集成于单一芯片之上[21]，通过5x3交叉开关和IO-RING连接内存等其他模块，结构如下图2-4所示。图2-4龙芯3A4000芯片结构Figure2-4ThechipstructureofLoongson3A40001.2主板功能设计在规划主板结构之前，首先要考虑主板应用于什么领域，需要达到什么性能，需要什么功能，需要扩展哪些接口；然后才需要考虑主板结构规划中的问题，包括（1）在确定“龙芯3A4000+7A1000的基本框架”之下，充分发挥龙芯3A4000和龙芯7A1000的功能及特性；（2）芯片选型时考虑国内可控和持续供货能力[22]，特别是主要部件，如显卡芯片、以太网控制芯片、内存、硬盘等，避免前期准备不充分而导致后期电路设计的失败；（3）所需扩展接口的可实现性以及如何去实现，对于同一个系统功能模块，选用什么芯片既能达到相应性能又能有较低的成本，有较高的性价比；（4）主板整体资源分配及电路设计，在性能要求相同的情况下，要充分考虑软硬件资源的利用情况，要保证有充足的软件资源或者硬件资源可以使用；（5）考虑之后的PCB设计，包括板框尺寸大小的确定及PCB布局布线等；（6）最后考虑板子成品回来之后的测试调试等这几个问题。故沿着对这几个问题的考虑进行接下来的主板结构规划、芯片选型、资源分配以及电路设计等工作。1.1.1主板功能接口与技术指标需求第一步明确设计需求（包括功能要求与技术指标要求）。此次设计主要针对国产自主可控替代，产品主要面向党政机关、教育医疗等行业，其安全性和可靠性成为最重要的因素，对于性能和功能方面有其相应的要求。首先是内存，它的性能一定程度上决定了整个主板的性能，它控制着计算机的整体信息处理速度，较大容量和快速访问的内存是高速信息传输的基本保证。内存不够大，设计不够好，数据不能及时交换，同时资源分配出现问题，就会出现卡顿卡死等问题，甚至会死机。然后主要考虑的则是安全及功能接口，安全毋庸置疑，CPU及桥片全自主设计，大大提升了其安全性；功能接口考虑常用接口PCIE接口（扩展独立显卡以及其他功能板卡）、SATA接口（连接主系统盘及其他大容量存储）、USB接口（连接键盘、鼠标及U盘等外设设备）、网口（连接外部网络以及内网），还有音视频接口。同时在设计初期，还要以插针形式设计串口、调试接口等接口，以供后期板级调试。结合党政机关电子公文系统领域国产自主可控替代工程以及安全可信计算机主板研发和产业化项目考核指标，在课题指定之初就与领导及相关部门进行讨论多次讨论，考虑到项目的最终目的是主板的产业化，故提出如下功能与技术指标需求。主要技术指标如下:（1）主板CPU主频不低于1.5GHz；（2）DDR4内存支持不小于8G；（3）主板支持STR（SuspengtoRAM），SmartFan功能；（4）主板板型使用标准ATX尺寸，同时使用标准ATX电源；物理尺寸与机械特性上均需要满足ATX标准的要求。（5）散热器参数满足CPU散热需求，保证主板功能稳定。功能接口需求如下表2-1所示：表2-1功能接口需求表Table2-1Thetableoffunctionalinterfacerequirements接口说明CPU单片Loongson3A4000桥片Loongson7A1000内存DDR4DIMMx4显存1颗DDR3x16颗粒16bit2Gb显示7ADVO转出一路板载VGA，一路板载DVI；同时支持独立显卡HDMI/VGA接口音频SK，HP，MIC接口各1个网口2个10M/100M/1000M自适应以太网接口，通过7AGMAC接出USB4个USB3.0接口（2前2后）；4个USB1.0接口（全部后置）；SATA4个SATA3.0接口，两个SATA1.0接口PCIE1个PCIEx16，2个PCIEx8，一个PCIEx4，一个PCIEx1M.2接口一个M.2接口JTAG/EJTAGCPU接出JTAG/EJTAG调试接口UARTCPU接后置串口（全功能串口1个，两线串口1个）SPIROMCPU外接SPIFlash做启动BIOS，7A外接SPIFlash做数据存储1个插针形式SPI接口电源ATX电源尺寸ATX标准尺寸305mmx244mm1.1.2主板结构规划本次设计主板结构选用“CPU+桥片”的经典计算机架构。在这个结构中，CPU芯片集成处理器核和内存控制器等主要部件，对外提供内存接口等，并通过处理器总线与桥片相连，桥片则包含硬盘、USB、网络控制器以及PCIE等接口。设计中使用的龙芯7A1000桥片（后文简称为桥片）是为了满足龙芯3号系列处理器的功能扩展需要而设计的产品，用于进行CPU不容易实现的功能扩展，以便和龙芯3号处理器组成一个完整的计算机系统。桥片与处理器之间通过HT3.0高速总线传输信息（支持双路直连），同时桥片内部集成高性能图像处理器GPU及显存控制器，可以实现独立的显存供GPU使用，更利于GPU性能的发挥[23]，并且扩展了PCIE1.0、SATA1.0、USB1.0、GMAC、DVO、HDA/AC97及其4路PWM、6路I2C、4路UART、4路SPI、1路LPC、57路GPIO等外围接口，同时还支持RTC、HPET、ACPI等功能。桥片功能结构图如下图2-5。图2-5桥片结构Figure2-5Thestructureofbridgechip在做了充分的准备之后，围绕“龙芯3A4000”微体系结构，在充分发挥CPU性能前提下，依据龙芯3A4000+7A1000的基本框架与龙芯3A4000所支持的技术特征，同时考虑龙芯7A1000桥片所能扩展的接口数量以及各个接口支持的性能指标进行主板设计开发，并不断与项目其他人员进行讨论其设计中须注意的问题，最终规划主板系统结构如下图2-6所示。图2-6主板结构框图Figure2-6Thestructurediagramofmotherboard1.1.3功能模块划分如主板结构框图所示，主板主要由龙芯3A4000处理器、龙芯7A1000桥片、内存模块、网络接口、显示模块、BIOS、PCIE控制器、电压转换电路、系统复位和中断等部分组成。龙芯3A4000与龙芯7A1000之间通过HT3.0高速总线互连，与龙芯3A4000连接的有4个内存插槽（内存双通道[24]）、1个BIOS卡槽以及调试串口，实现高速信息传输以及串口信息打印等功能；通过桥片扩展PCIE接口、SATA接口、USB接口以及I2C等各种低速接口连接外围设备，同时支持DDR3总线、PCIE总线、SATA总线、USB总线及其他低速IO总线等功能要求，组成一个完整的计算机系统。其中，分别将两路DVO数字信号通过高性能视频D/A转换芯片ADV7125和视频编码芯片TFP410转换为模拟信号和TMDS差分信号扩展至VGA与DVI接口。32路PCIE总线本次设计扩展为1个PCIEX16插槽，2个PCIEX8插槽，一个PCIEX4插槽，剩下四路分别（1）扩展为1个PCIEX1接口；（2）通过PCIE转SATA芯片88SE9215转换为4个SATA3.0接口；（3）通过PCIE转USB芯片UPD720201K8转换为4个USB3.0接口；（4）扩展为一个M.2接口。其余接口按照常规接口进行设计，功能模块框图如下图2-7所示。图2-7主板功能模块框图Figure2-7Theblockdiagramofmotherboardfunctionmodule1.1.4CPU散热要求要想主板稳定工作，其CPU的正常工作状态必须要保证，除电源等方面的要求外，在散热方面[25]也有一定的要求。由龙芯3A4000数据手册热参数数据可知其TDP为65W，最大结温Tj为85℃，壳温Tc为70℃，结壳热阻Rtj<0.3℃/W（典型测量值为0.266℃/W），对于导热硅脂、散热器以及散热风扇的性能提出了相应的要求[26]。顾名思义，导热硅脂就是用来导热的，主要用于CPU及其他大功率器件的导热及散热。正常情况下，CPU与散热器接触面之间会存在一定空隙，而空隙之间的空气又是一种阻碍热量散发的介质，导热硅脂的作用就是填充空气缝隙，利用良好的导热特性将热量传导和散发出去。导热硅脂的两个关键参数是热传导系数和热阻系数，其中热传导系数越大越好，热阻系数越小越好。而且在考虑成本等方面的前提下，选用导热硅脂时需要保证其热阻系数小于CPU的结壳热阻。散热器也称散热片，一般是“韭”字形状，主要有辐射散热与空气对流两种方式，外加风扇的情况下则变成了强迫风冷。由于CPU温度较高，本次设计考虑加装风扇强迫风冷散热，而桥片发热较少，故只使用散热片散热即可。下边给出本次设计中散热器选择时相关数据的计算过程：散热器热阻：(式2-1)散热器温升：(式2-2)其中CPU的TDP、最大结温Tj、壳温Tc、结壳热阻Rtj已知，Rtf为散热器热阻，Ta为外部环境温度，Rtc为导热硅脂热阻，温度单位均为℃，热阻单位均为℃/W。散