劉素桃，高 飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

基于龍芯2F的國產(chǎn)處理器平臺在路由器中的設(shè)計實現(xiàn)

劉素桃，高 飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

高性能處理器（CPU）作為路由器設(shè)備的核心部件之一，主要用于實現(xiàn)路由器設(shè)備的控制及協(xié)議處理功能。對核心部件CPU采用了國產(chǎn)的龍芯2F處理器及與之相適配的中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)，構(gòu)建了國產(chǎn)處理器平臺，應(yīng)用到路由器設(shè)備中，解決了長期以來路由器設(shè)備對國外處理器的依賴，提高了路由器設(shè)備的安全可靠性，實現(xiàn)了路由器設(shè)備在硬件、軟件的自主可控。對國產(chǎn)處理器平臺進(jìn)行了簡要介紹，并結(jié)合實例驗證了國產(chǎn)處理器平臺在路由器設(shè)備中的設(shè)計方案正確可行，能夠滿足路由器的需要，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

龍芯2F處理器；Linux；公共嵌入式平臺；CPU

0 引言

近年來，美國斯諾登爆料的涉及安全的各種事件讓各國充分意識到，研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備極為迫切，而路由器設(shè)備是信息化建設(shè)中的重要設(shè)備之一，其核心部件CPU采用國產(chǎn)處理器平臺可以解決諸多安全隱患問題［1］。

隨著近些年我國自主化技術(shù)的積累與推進(jìn)，國內(nèi)的幾大廠商相繼研發(fā)出了自主的CPU，并已在計算機平臺得到了成功應(yīng)用［2］，這為路由器設(shè)備選用國產(chǎn)化CPU提供了可供選擇的方案與契機。然而市場上國產(chǎn)化的CPU目前主要用于計算機平臺［3］，在路由器設(shè)備中還沒有成功的方案可以借鑒，需要創(chuàng)新地設(shè)計一種適合路由器設(shè)備的國產(chǎn)處理器平臺。

高性能的CPU主要用于路由器設(shè)備的控制及協(xié)議處理［4］。龍芯中科公司的龍芯2F芯片，具有低功耗、高可靠性的特點，適合應(yīng)用到路由器設(shè)備中。結(jié)合路由器設(shè)備的應(yīng)用，對龍芯2F處理器在性能、環(huán)境適應(yīng)性及可靠性方面進(jìn)行測試驗證。

1 國產(chǎn)龍芯處理器技術(shù)

1.1 龍芯2F處理器簡介

龍芯2F處理器是一款中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研制的、內(nèi)部集成了龍芯64位CPU核，兼容MIPS64指令系統(tǒng)的高性能低功耗處理器芯片，支持軟件動態(tài)調(diào)節(jié)處理器工作頻率，操作系統(tǒng)利用這個特性可根據(jù)負(fù)載情況改變處理器工作頻率以達(dá)到降低功耗的目的。龍芯2F采用先進(jìn)的四發(fā)射超流水線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移猜測、寄存器重命名、動態(tài)調(diào)度以及非阻塞的高速緩存訪問等亂序執(zhí)行技術(shù)，片內(nèi)包含64 KB一級指令高速緩存、64 KB一級數(shù)據(jù)高速緩存和512 KB二級高速緩存［5］。

龍芯2F集成了64位DDR2內(nèi)存控制器、PCI／PCI-X控制器、Local-Bus總線接口、中斷控制器和視頻加速單元。系統(tǒng)擴(kuò)展通過標(biāo)準(zhǔn)的PCI／PCI-X總線進(jìn)行，既能作為PCI／PCI-X總線的主控制器，也能作為PCI／PCI-X的設(shè)備。

龍芯2F內(nèi)部的互連核心是一個128位寬度的2x2 AXI交叉開關(guān)。CPU核和PCI／PCI-X從設(shè)備占用兩個主設(shè)備端口，DDR2控制器占用一個從設(shè)備端口，PCI／PCI-X主設(shè)備及其他模塊共享另一個從設(shè)備端口。

龍芯2F的典型工作頻率為800 MHz，在該頻率下的實測功耗為3 W左右，適用于低功耗、高性能需求的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 龍芯處理器現(xiàn)狀及應(yīng)用

中科院計算技術(shù)研究所研制的龍芯系列處理器，已經(jīng)在技術(shù)及穩(wěn)定性方面逐漸成熟。目前龍芯系列處理器，已經(jīng)成功應(yīng)用于計算機平臺［6］，作為加固計算機平臺已成功應(yīng)用于控制領(lǐng)域［7］。龍芯2F的工作溫度范圍可達(dá)－40℃～55℃，滿足工業(yè)級的應(yīng)用需求，能夠應(yīng)用到桌面及嵌入式控制領(lǐng)域，能夠滿足路由器在惡劣環(huán)境下應(yīng)用的溫度范圍。

2 設(shè)計實現(xiàn)方案

2.1 硬件設(shè)計

國產(chǎn)處理器平臺的硬件組成如圖1所示，它主要由龍芯2F處理器模塊、BIOS引導(dǎo)程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器DDR2 SDRAM、南橋、調(diào)試串口、調(diào)試網(wǎng)口、功能擴(kuò)展模塊組成。該硬件平臺的實現(xiàn)目標(biāo)是構(gòu)建嵌入式的自主可控的高性能處理器公共平臺，并能實現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

圖1 國產(chǎn)處理器平臺硬件組成框圖

其中電源模塊主要用于提供嵌入式高性能處理器平臺所需要的電源，平臺采用5V供電，經(jīng)過DC／DC變化生成龍芯2F及相關(guān)外圍芯片所需要的內(nèi)核電壓及IO電壓；

復(fù)位控制是按照龍芯2F的上電復(fù)位要求進(jìn)行的控制設(shè)計，時鐘模塊提供龍芯2F工作需要的時鐘信號；

數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計采用4片MT47H128M16的DDR2 SDRAM顆粒，提供容量為1 GB的數(shù)據(jù)存儲；

南橋主要提供調(diào)試串口、IDE總線及USB總線，并連接到功能擴(kuò)展模塊實現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

龍芯2F通過PCI總線掛接一片Intel的以太網(wǎng)控制器82540實現(xiàn)調(diào)試以太網(wǎng)口的功能。

功能擴(kuò)展設(shè)計是采用SAMTEC公司的四個高速高密度連接器，連接器的可靠性能夠滿足路由器設(shè)備的可靠性要求；信號定義在ETX3.02規(guī)范［8］的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了LOCAL總線的定義，去掉了鍵盤、鼠標(biāo)等無用信號，從而適合路由器設(shè)備及嵌入式應(yīng)用；把在路由器中常用的LOCAL并行總線、PCI總線及IDE總線、USB總線引接到板間互聯(lián)連接器上，方便在路由器設(shè)備應(yīng)用中的功能擴(kuò)展，最終作為一個公共的嵌入式高性能處理器平臺應(yīng)用到多個項目的設(shè)計中，滿足不同的應(yīng)用需求。

路由器設(shè)備需要使用路由交換芯片［9］，如圖1所示，通過功能擴(kuò)展模塊的PCI總線連接到路由交換芯片，同時創(chuàng)新地利用了龍芯2F提供的2個片選信號，滿足了路由器設(shè)備的應(yīng)用。

2.2 Local總線設(shè)計

龍芯2F的LocalIO控制器提供了訪問外設(shè)的接口，主要連接用于系統(tǒng)啟動的BIOS。龍芯2F對外提供兩個片選，即LIO_ROMCS、LIO_CS，具有可配置的數(shù)據(jù)位寬和訪問延遲，可以根據(jù)外掛接的設(shè)備接口進(jìn)行時序的簡單控制。圖2是龍芯2F的LOCAL總線設(shè)計功能框圖，龍芯2F通過CPLD進(jìn)行地址譯碼，對外提供CS1和CS2兩個片選信號，其中CS1片選是8位總線接口，CS2片選是16位總線接口，它們的容量都為8 MB，同時將這兩個片選信號連接到功能擴(kuò)展模塊，用于提供實時時鐘以及其他嵌入式常用的成幀器芯片或控制邏輯的實現(xiàn)，為路由器及嵌入式的應(yīng)用提供了方便。外部掛接的實時時鐘芯片是DALLAS公司DS1554，它是一款數(shù)據(jù)總線位寬為8位、地址總線為15位的低速外設(shè)，與CS1片選連接；外部掛接的成幀器芯片是一款總線位寬為16位、地址總線為14位的外設(shè)，與CS2片選連接，從而合理地利用了龍芯LOCAL總線的能力，若其他外設(shè)需要片選，還可以進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展。

圖2 龍芯2F的LOCAL總線設(shè)計

BIOS引導(dǎo)主要用于存儲LINUX內(nèi)核啟動及配置需要的PMON固件。通過龍芯2F的片選信號LIO_ROMCS連接，設(shè)計選用一款容量為512KB的SST39VF040的FLASH芯片

2.3 軟件設(shè)計

路由器設(shè)備除了核心CPU采用國產(chǎn)化處理器外，與之適配的固件、操作系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用軟件都實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

固件軟件選用基于MIPS架構(gòu)的龍芯2F的PMON程序，針對本國產(chǎn)處理器平臺進(jìn)行了修改，滿足路由器的需要；運行于龍芯2F之上的操作系統(tǒng)采用中標(biāo)麒麟LINUX定制系統(tǒng)軟件。

路由器設(shè)備的軟件框架如圖3所示，主要包括BIOS引導(dǎo)程序、中標(biāo)麒麟LINUX操作系統(tǒng)以及路由器設(shè)備應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件主要包括鏈路控制軟件、TCP／IP協(xié)議軟件、單播路由軟件、組播路由軟件、MPLS協(xié)議軟件、流量工程軟件以及安全認(rèn)證軟件等。

圖3 路由器設(shè)備的軟件框架

其中鏈路控制軟件由PPP協(xié)議軟件、交換芯片控制軟件、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件組成，主要實現(xiàn)鏈路狀態(tài)檢測、交換芯片控制、數(shù)據(jù)處理及協(xié)議認(rèn)證的功能。

維護(hù)管理軟件主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)代理、設(shè)備維護(hù)管理、在線升級等功能，實現(xiàn)對各個業(yè)務(wù)單元板的的輪詢、工作模式的控制以及收集各單元板的狀態(tài)并存于數(shù)據(jù)庫中。

協(xié)議及協(xié)議管理軟件主要完成各種路由協(xié)議的協(xié)議交互，定期發(fā)送協(xié)議控制報文進(jìn)行協(xié)議溝通，并向業(yè)務(wù)板發(fā)送相關(guān)協(xié)議配置消息進(jìn)行接口地址的配置等，數(shù)據(jù)庫軟件主要用于存放對各個業(yè)務(wù)板庫文件的存儲及數(shù)據(jù)的搜集等功能；網(wǎng)絡(luò)管理軟件主要用于對網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及實現(xiàn)互聯(lián)互通的配置等功能。

安全認(rèn)證軟件主要由設(shè)備鑒權(quán)認(rèn)證軟件、路由協(xié)議認(rèn)證軟件和用戶認(rèn)證軟件組成。

下面重點介紹一下國產(chǎn)處理器平臺BIOS的開發(fā)應(yīng)用。

2.4 BIOS的開發(fā)及應(yīng)用

國產(chǎn)處理器平臺的BIOS設(shè)計采用的是PMON，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的BootLoader的功能。PMON是MIPS架構(gòu)CPU最常用的BIOS，功能十分強大［10］，占用資源少，僅需要一個串口，512 KB ROM，128 KB RAM就能實現(xiàn)PMON的全部特性，它不僅支持BIOS啟動配置、內(nèi)核加載，還支持程序調(diào)試、內(nèi)存寄存器顯示和設(shè)置、內(nèi)存反匯編等。本設(shè)計中支持從CF卡及TFTP來引導(dǎo)操作系統(tǒng)，PMON程序初始化流程圖如圖4所示［11］。

圖4 PMON程序初始化流程圖

3 應(yīng)用實例

3.1 性能測試實例1

搭建的國產(chǎn)處理器平臺數(shù)據(jù)處理性能測試框圖如圖5所示，使用思博倫的TestCenter測試儀從以太網(wǎng)接口發(fā)送IPv4、目的地址為2.0.0.9的數(shù)據(jù)報文，幀長為1 500字節(jié)，該數(shù)據(jù)報文直接依靠CPU進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)接口，在發(fā)送帶寬為60%時不丟包。

圖5 國產(chǎn)處理器平臺數(shù)據(jù)處理性能測試

3.2 性能測試實例2

利用SFTP服務(wù)器進(jìn)行500 MB大小的文件WindRiver.rar的下載，數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)7 362 KB／s，CPU處理數(shù)據(jù)的性能如下所示：

4 高低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗和可靠性試驗

為了驗證國產(chǎn)化處理器龍芯2F的環(huán)境適應(yīng)能力，對路由器設(shè)備作了環(huán)境適應(yīng)性高低溫［12］試驗，測試結(jié)果如表1所示。

此外，還對路由器設(shè)備進(jìn)行每天8小時，連續(xù)48小時的可靠性試驗，路由器設(shè)備能夠正常穩(wěn)定工作，驗證了其長期穩(wěn)定工作的能力。

表1 路由器設(shè)備高低溫測試

5 結(jié)束語

主要對基于國產(chǎn)的龍芯2F處理器搭建的公共嵌入式平臺進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并結(jié)合路由器設(shè)備的應(yīng)用特點，重點介紹了LOCAL總線的應(yīng)用設(shè)計、PMON的應(yīng)用，結(jié)合應(yīng)用實例測試，驗證了國產(chǎn)化龍芯2F在路由器設(shè)備應(yīng)用中能夠滿足性能指標(biāo)，經(jīng)過高低溫試驗、可靠性考核，驗證了龍芯2F能夠滿足路由器設(shè)備的應(yīng)用需求，為其他設(shè)備的工程應(yīng)用提供了成功的借鑒。

［1］劉冀川，李冬梅.萬兆以太網(wǎng)技術(shù)的研究與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2012，42（12）：7－9，45.

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［11］張菊莉，張君毅，孟小鎖.基于龍芯2F架構(gòu)的PMON分析與優(yōu)化［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（2）：19－21.

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Design and Implementation of Domestic-processor Platform Based on Loongson 2F in Routers

LIU Su-tao，GAO Fei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The high performance processor（CPU）is one of the critical part of router.It is mainly used to realize the control and protocol disposer.In our router，a domestic Loongson 2F processor is adopted，and together with Kylin embedded Linux system，to build a national processor platform used in router device.This platform can facilitate the problem of router device dependence on foreign CPU technology for a long time.Moreover，it also improves the device safety and reliability.Finally，it promotes the independency and control-lability of the critical hardware and software in router.This national developed processor is simply introduced.And it is proved that the project of the native Loongson 2F used in the router is right and feasible，satisfying the router need，and can be popularized.

Loongson 2F；Linux；embedded platform；central processing unit

TN915.142

A

1003－3114（2015）06－84－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.22

劉素桃，高 飛.基于龍芯2F的國產(chǎn)處理器平臺在路由器中的設(shè)計實現(xiàn)［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：84－87.

2015－08－10

國家部委基金資助項目

劉素桃（1971—）女，高級工程師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。高 飛（1985—）男，工程師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。