郭魯皓

摘 要：為滿足雙處理器、雙操作系統(tǒng)分工協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)處理的需求，選用因特爾公司生產(chǎn)的ATOM系列處理器N2600和橋片NM10，設(shè)計(jì)了一種雙X86處理器架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電路，通過(guò)NM10的PCIE接口擴(kuò)展多路以太網(wǎng)口與系統(tǒng)外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)雙處理器協(xié)同、分工、同步工作，實(shí)現(xiàn)多路同步、高速的數(shù)據(jù)處理與控制功能。

關(guān)鍵詞：X86;雙處理器;N2600;82574控制器;以太網(wǎng);數(shù)據(jù)交換

中圖分類號(hào)：TP338.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的性能提出了越來(lái)越高的要求，對(duì)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力和設(shè)備之間的通信傳輸交換能力的要求也在逐步提高。設(shè)備可采用雙處理器、雙操作系統(tǒng)，雙系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、分工協(xié)同工作以完成不同功能任務(wù)的方式提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能和性能。硬件上設(shè)計(jì)2套處理器系統(tǒng)電路，預(yù)留豐富的對(duì)外接口;軟件方面采用VxWorks操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、互聯(lián)性優(yōu)異。雙處理器構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)具有一定的經(jīng)濟(jì)性、適用性和擴(kuò)展性，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)雙處理器、雙操作系統(tǒng)可分工協(xié)同完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算控制的使用需求，在一個(gè)電路模塊上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩套相對(duì)獨(dú)立的CPU處理電路，兩個(gè)CPU之間通過(guò)以太網(wǎng)通信，且處理電路對(duì)外有多種接口。設(shè)計(jì)如圖1所示。

1 芯片選型

1.1 X86處理器選擇

處理器選用Intel低功耗凌動(dòng)處理器N2600。N2600具有功耗低、雙核4 線程、主頻1.60 GHz、1 MB緩存、2.5 GT/s

總線速度、內(nèi)部集成顯卡等優(yōu)點(diǎn)[1]。該處理器除了支持 Windows XP操作系統(tǒng)外，還支持VxWorks操作系統(tǒng)，配合橋片使用可滿足各種接口擴(kuò)展需求。

1.2 橋片選擇

橋片選用英特爾Intel CG82NM10 PCH，該橋片支持PCI與4通道PCIE，可配置為1個(gè)4x或4個(gè)1x PCIE總線，支持8路USB端口[2]。NM10橋片配合Intel N2600處理器完成對(duì)外接口和總線的擴(kuò)展，N2600處理器配合NM10橋片使用，可滿足低功耗需求。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路組成

系統(tǒng)硬件如圖2所示。系統(tǒng)由三個(gè)功能區(qū)電路組成，分別為2個(gè)CPU系統(tǒng)電路和電源管理電路。2個(gè)CPU系統(tǒng)電路完全相同，包含CPU最小系統(tǒng)和相應(yīng)的外設(shè)接口。CPU最小系統(tǒng)包括N2600處理器、NM10橋片、BIOS FLASH芯片、DDR3外置存儲(chǔ)器和SSD電子盤。該最小系統(tǒng)最多可提供

4條PCIE 1x總線，8個(gè)USB，2個(gè)SATA，2個(gè)顯示口。本設(shè)計(jì)中每個(gè)最小系統(tǒng)只使用2條PCIE 1x總線，2個(gè)USB，1個(gè)SATA，1個(gè)顯示口。

2.2 網(wǎng)口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)多路以太網(wǎng)口用于與數(shù)據(jù)輸入輸出、對(duì)外部系統(tǒng)進(jìn)行控制。N2600處理器無(wú)以太網(wǎng)接口，設(shè)計(jì)使用NM10的PCIE接口通過(guò)以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口擴(kuò)展。以太網(wǎng)控制器采用Intel公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的82574千兆位以太網(wǎng)控制器，配合對(duì)應(yīng)的變壓器、TVS保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)多路以太網(wǎng)口擴(kuò)展目的。NM10可提供四組PCIE 1x總線，滿足三片82574的使用需求，每個(gè)1x的PCIE接口外接一片82574。

82574支持802.3X流控制規(guī)范、802.1QVLAN規(guī)范與MAC地址過(guò)濾;支持MAC自循環(huán)模式;兼容1 Gb/s IEEE 802.3，802.3u，802.3ab規(guī)范;支持IEEE 802.3ab自動(dòng)協(xié)商機(jī)制規(guī)范;支持10/100/1 000 Mb/s全雙工;支持10/100 Mb/s半雙工[3]。

2.3 VGA接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)VGA接口用于軟件開發(fā)調(diào)試。N2600處理器內(nèi)部集成有GPU，GPU的對(duì)外顯示接口采用數(shù)字顯示接口DisplayPort。采用DisplayPort接口的顯示器較為少見，選用CH7517芯片將DisplayPort轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)VGA模擬顯示器接口[4]，方便連接顯示器。

2.4 USB接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)USB接口用于外接鍵盤。USB接口數(shù)據(jù)線上連接TVS保護(hù)器，用于接口過(guò)流、過(guò)壓、靜電保護(hù)。USB接口的5 V電源串接可恢復(fù)保險(xiǎn)管，以確保USB口的安全使用。

2.5 串口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)RS 232串口用于開發(fā)調(diào)試。RS 232接口由NM10上的LPC總線接口通過(guò)IT8515E芯片[5]、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232[6]、TVS保護(hù)器實(shí)現(xiàn)。

2.6 CPLD控制電路

CPLD控制電路包括CPLD芯片、復(fù)位監(jiān)控芯片等。CPLD選用Xilinx公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的XC3S700AN[7]，看門狗由CPLD內(nèi)部邏輯完成。復(fù)位監(jiān)控芯片選用Maxim公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MAX706[8]。CPLD和MAX706配合完成上電控制、復(fù)位控制、電源監(jiān)控、狀態(tài)指示等功能。系統(tǒng)上電后，CPLD首先啟動(dòng)，MAX706復(fù)位電路提供的復(fù)位信號(hào)通過(guò)CPLD復(fù)位兩個(gè)CPU。復(fù)位結(jié)束后放開復(fù)位信號(hào)，CPU啟動(dòng)。設(shè)計(jì)使用復(fù)位按鍵可復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。CPU工作時(shí)，定時(shí)通過(guò)GPIO信號(hào)送清狗信號(hào)給CPLD，當(dāng)CPU死機(jī)后，無(wú)清狗信號(hào)且達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后，CPLD復(fù)位CPU。

2.7 電源管理電路

電源管理電路實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)、電源監(jiān)控功能，還設(shè)計(jì)有防止反接、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及短路保護(hù)等功能。設(shè)定過(guò)壓閾值點(diǎn)與過(guò)流保護(hù)點(diǎn)，在過(guò)壓、低壓或超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)均會(huì)自動(dòng)保護(hù)。

3 操作系統(tǒng)

軟件操作系統(tǒng)為VxWorks。VxWorks 操作系統(tǒng)是Intel旗下美國(guó)風(fēng)河公司（Wind River） 推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、通信、工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，VxWorks 操作系統(tǒng)在安全性、互聯(lián)性、可靠性、設(shè)備管理、用戶交互等方面性能優(yōu)異[9]，可以滿足目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用要求。

VxWorks支持在線調(diào)試，網(wǎng)絡(luò)加載;支持標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)API;設(shè)計(jì)BootLoader分別提供基于網(wǎng)絡(luò)和本地Image文件的加載模式。系統(tǒng)BIOS采用AMIBIOS，電路模塊啟動(dòng)時(shí)，CPU首先啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的AMIBIOS，在設(shè)置界面使用鍵盤操作設(shè)置啟動(dòng)方式、CPU設(shè)置等。系統(tǒng)設(shè)置成SATA硬盤啟動(dòng)方式，SATA硬盤設(shè)置為IDE模式。在BIOS狀態(tài)下，內(nèi)存、PCIE設(shè)備進(jìn)行初始化，鍵盤等USB設(shè)備可以使用。

BIOS啟動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行Bootrom加載Vxowoks操作系統(tǒng)鏡像，啟動(dòng)VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)包括網(wǎng)卡、USB、硬盤、串口、顯卡驅(qū)動(dòng)，且支持網(wǎng)口和串口調(diào)試與顯示器命令行文字顯示。VxWorks采用DosFs文件系統(tǒng)，支持標(biāo)準(zhǔn)RS 232串口設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備，可提供相關(guān)函數(shù)接口，同時(shí)Vxworks操作系統(tǒng)還支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可提供FTP，Telnet，Socket編程等網(wǎng)絡(luò)功能[10]。

4 測(cè)試方法

分別測(cè)試每個(gè)CPU的系統(tǒng)電路和接口，測(cè)試方法如圖3所示。

4.1 應(yīng)用程序更新測(cè)試

通過(guò)網(wǎng)口將CPU的測(cè)試程序下載至板子的SSD中，重新加電且應(yīng)用程序運(yùn)行成功后，通過(guò)顯示器顯示運(yùn)行成功信息。

4.2 DDR3 SDRAM讀寫測(cè)試

CPU分別以全0、全F、遞增數(shù)三種數(shù)據(jù)格式寫滿SDRAM進(jìn)行回讀校驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)量，并將結(jié)果通過(guò)顯示器顯示。

4.3 網(wǎng)口測(cè)試

使用計(jì)算機(jī)對(duì)2個(gè)網(wǎng)口持續(xù)測(cè)試數(shù)萬(wàn)包65 500 B的數(shù)據(jù)不丟包，CPU之間的網(wǎng)口持續(xù)測(cè)試數(shù)萬(wàn)包65 500 B的數(shù)據(jù)不丟包。

4.4 串口測(cè)試

CPU通過(guò)RS 232接口與計(jì)算機(jī)通信，其波特率為

115 200 bps。數(shù)據(jù)格式：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位。測(cè)試時(shí)，每幀為256 B，從0開始按1累加數(shù)據(jù)，處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口調(diào)試助手或環(huán)回測(cè)試將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn);處理器接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，顯示測(cè)試結(jié)果。

4.5 USB接口測(cè)試

USB接口接鍵盤對(duì)VxWorks系統(tǒng)進(jìn)行操作調(diào)試。

4.6 VGA顯示接口測(cè)試

VGA接口接顯示器可正常顯示VxWorks系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

4.7 功耗測(cè)試

直流電源加電，根據(jù)直流電源的電壓、電流顯示計(jì)算電路的功耗。

5 結(jié) 語(yǔ)

文章介紹了一種雙X86構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)方法與硬件電路測(cè)試方法。雙X86處理器可設(shè)置為每個(gè)處理器獨(dú)立工作，雙處理器分工完成不同任務(wù)的模式，實(shí)現(xiàn)雙重功能;也可以設(shè)置為處理器之間互為備份，冗余工作的模式，提升系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)具有接口豐富、實(shí)時(shí)性好、功耗低、體積小、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Intel.Intel Atom Processor D2000 and N2000 Series[Z].2012.

[2] Intel.Intel NM10 Family Express Chipset[Z].2009.

[3] Intel.Intel 82574 GbE Controller Family Datasheet[Z].2009.

[4] Chrontel International Limited.CH7517 DisplayPort to VGA Converter Datasheet[Z].2012.

[5] Programmable DC Electronic Load User Guide Manual[Z]. ITECH，2010.

[6] TEXAS Instruments.MAX3232 3-V TO 5.5-V MULTICHANNEL RS 232 LINE DRIVER/RECEIVER WITH±15 kV ESD PROTECTION[Z].2004.

[7] Xilinx.Spartan-3 Generation FPGA User Guide[Z].2011.

[8] MAXIM.MAX705-MAX708/MAX813L Low-Cost，μP Supervisory Circuits Datasheet[Z].2012.

[9]相征.基于VxWorks嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[10] Wind River.VxWorks Network Programmers Guide 5.5.Wind River System[Z].2002.