郭 敏 運 琛
(西安電子工程研究所 西安 710100)
隨著中美貿(mào)易摩擦愈演愈烈,應(yīng)用于核心產(chǎn)品中的國外關(guān)鍵器件很多被禁運,加上國內(nèi)電子計算機安全性意識的日益提升,自主可控的國產(chǎn)化平臺的需求也越來越多。國產(chǎn)化平臺由于起步晚、生態(tài)圈不夠完善、技術(shù)相對薄弱,使得國產(chǎn)化產(chǎn)品研制階段耗費的時間周期長,物料費用和人力資源較高;而大多國產(chǎn)化平臺硬件以單板設(shè)計方案為主,可靠性能較低,不易維修、更換,保障力度不夠?;邶埿?A3000處理器的COMe核心模塊,是采用龍芯3A3000處理器+龍芯7A1000橋片架構(gòu),遵循COMeTYPE6硬件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,為國產(chǎn)化計算機提供通用化、組合化、模塊化設(shè)計理念[1]。本文闡述了龍芯3A3000核心模塊的設(shè)計原理和實現(xiàn)方案。
龍芯3A3000處理器是一個配置為單節(jié)點4核的處理器[2],寬溫工業(yè)級的主頻最高為1.2GHz,主要技術(shù)特征如下:
1)片內(nèi)集成4個高性能能處理器核;
2)共享8MB三級緩存;
3)集成2個64位帶ECC、800MHz的DDR3控制器,用于內(nèi)存擴展;
4)集成2個16位2.4GHz的HyperTransport控制器,簡稱HT,用于處理器和橋片之間通訊;
5)集成1個32位PCI、1個LPC、2各UART、1個SPI和16各GPIO接口。
COMe標(biāo)準(zhǔn),全稱為COM Express? Module Base Specification,是一種開放式的模塊化計算機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提供了一系列從傳統(tǒng)并行接口如PCI、PATA等,過渡到串行低電壓差分接口(LVDS)如PCIE、SATA等電氣和機械規(guī)范[3]。以此標(biāo)準(zhǔn)形成的計算機模塊具有模塊化、通用化等特點,便于更新迭代、更換維修,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、國防和政府相關(guān)的計算機、機器人和系統(tǒng)中。根據(jù)模塊的功能和用途,可將COMe區(qū)分為TYPE1、TYPE10、TYPE2、TYPE3、TYPE4、TYPE5和TYPE6架構(gòu)。其中TYPE6作為COMe標(biāo)準(zhǔn)的新增架構(gòu),其功能和性能最為典型,具體功能如下:
1)雙220芯連接器,(A-B和C-D,共440pin);
2)最多8路USB 2.0端口,4個共享的過流檢測信號;
3)最多4路USB 3.0端口;
4)最多4路SATA接口;
5)最多24路 PCIE接口,其中基于PCIE的圖形PEG占用16個,剩余8個PCIE X1接口;
6)最多2路外擴卡支持引腳;
7)1路雙通道LVDS視頻接口;
8)1路VGA接口;
9)最多3路數(shù)字視頻輸出接口;
10)1路AC97/HDA數(shù)字音頻接口(需要外接編解碼器);
11)1路帶有集成PHY的千兆網(wǎng)接口;
12)1路LPC接口;
13)1路SPI接口;
14)8個GPIO管腳;
15)模塊連接器引腳上的最大輸入功率為137W;
16)+12V主電源輸入;
17)+5V待機和3.3V RTC電源輸入。
如圖1所示,龍芯3A3000核心模塊遵循COMe標(biāo)準(zhǔn)TYPE6架構(gòu)設(shè)計,利用核心模塊上440芯接口連接器將接口引入載板。TYPE6定義模塊可選擇Extended(155mm×110mm)、Basic(125mm×95mm)和Compact(95mm×95mm)三種機械結(jié)構(gòu),為減小核心模塊占用空間,龍芯3A3000核心模塊采用Compact機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖1 3A3000核心模塊機械結(jié)構(gòu)
如圖2所示,核心模塊與載板、散熱器呈Tower式堆疊,便于載板的接口擴展更新和核心模塊維護。載板上先安裝5mm或8mm核心模塊螺柱,通過核心模塊440-pin 連接器限位固定核心模塊,再安裝散熱器螺柱和散熱器。在設(shè)計載板時,根據(jù)載板元器件擺放密度和高度選擇核心模塊螺柱和載板連接器,有5mm和8mm兩種可選(默認(rèn)安裝8mm)。核心模塊板厚2mm,CPU、橋片、電源芯片與散熱器對應(yīng)的凸臺之間填涂導(dǎo)熱硅脂,電源電感器與散熱器對應(yīng)的凹槽之間填充導(dǎo)熱硅膠墊。散熱器對外設(shè)計為被動式導(dǎo)熱形式,頂部與機箱導(dǎo)熱面之間填涂導(dǎo)熱硅脂進行熱傳導(dǎo)。如果在機箱空間允許的情況下,也可將散熱器設(shè)計為風(fēng)冷或液冷,以達(dá)到更好的散熱效果。
圖2 3A3000核心模塊堆疊圖示
如圖3所示,龍芯3A3000核心模塊采用龍芯LS3A3000處理器,預(yù)設(shè)計8片512MB國產(chǎn)化DDR3 SDRAM(供應(yīng)廠家為紫光國芯),共計4GB。
橋片組采用LS7A1000橋片,單片芯片提供南北橋功能,用以替代先前AMD的RS780+SB710橋片組合[4]。龍芯3A3000核心模塊上除了DDR3和LS3A3000的調(diào)試接口,其他大部分外設(shè)均由橋片LS7A1000提供。橋片LS7A1000主要特征如下:
1)16位HT接口,用于與處理器之間通訊;
2)內(nèi)置圖形處理器,2個DVO顯示接口;
3)16位DDR3 顯存接口;
4)3個PCIE×8接口,2個PCIE×4接口;
5)3個SATA 2.0接口;
6)2個RGMII接口;
7)HDA音頻接口;
8)RTC、UART、I2C、LPC、SPI、GPIO等通用接口;
9)支持ACPI管理。
圖3 核心模塊電氣框圖
不同于以往COMe Compact模塊,龍芯3A3000核心模塊對外提供2路千兆網(wǎng)絡(luò)。橋芯片LS7A1000自身的2路GMAC通過RGMII接口連接到以太網(wǎng)物理芯片AR8031,完成以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換。2路以太網(wǎng)信號其中1路遵循TYPE6定義,另1路占用TYPE6原USB3.0定義的接收信號。
龍芯3A3000核心模塊的DVO接口通過橋片7A1000連接LVDS轉(zhuǎn)換芯片THC63LVD827和VGA接口芯片ADV7125來實現(xiàn)2-CHANNEL LVDS和VGA圖像信號。顯示最大支持至1920×1080 @60Hz。LS7A1000橋片設(shè)計1片 16位512MB DDR3 SDRAM,用作橋片內(nèi)部圖形處理器的顯存。
龍芯3A3000核心模塊通過LPC連接嵌入式控制器IT8528,完成1路SMBUS、2路UART、風(fēng)扇的控制和檢測、核心模塊上電源電壓檢測等工作。
遵循COMeTYPE6定義標(biāo)準(zhǔn),龍芯3A3000核心模塊對外提供3路SATA2.0接口、6路USB2.0接口、1路HDA音頻接口、1路SPI接口、1路I2C接口、1路串口接口。核心模塊LS7A1000橋片內(nèi)部集成了5組PCIE控制器F0、F1、G0、G1、H,在產(chǎn)品設(shè)計時,通過更改橋片PCIE配置,將5組控制器設(shè)置成6路×1 PCIE2.0接口(F0設(shè)置4路,F(xiàn)1設(shè)置2路)、2路×4 PCIE2.0接口(G0設(shè)置2路)和2路×8 PCIE2.0接口(G1和H各設(shè)置1路)。由于原COMeTYPE6定義標(biāo)準(zhǔn)中沒有PCIE ×4和×8的輸出定義,龍芯3A3000核心模塊在設(shè)計時,將2路×4 PCIE信號接在原COMeTYPE6的DDI 1~4輸出上,2路×8 PCIE信號接在原COMeTYPE6的PEG ×16上。以上對外接口可用作硬盤、人機交互、聲卡和其他通訊擴展。
為方便調(diào)試跟蹤,龍芯3A3000核心模塊在設(shè)計在設(shè)計時,將3A3000和7A1000的JTAG和調(diào)試串口接在了原COMeTYPE6 C段和D段的缺省管腳(RSVD)。如表1所示,除了將USB3.0、DDI1~4、PEG×16和部分GPIO更改為GBE、2路×4 PCIE、2路×8 PCIE和其他IO,其余信號和電源接口完全遵循COMeTYPE6定義標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。
表1 定義變更一覽表
序號原TYPE6定義更改后定義備注1USB3.0 0~3 接收GBE22USB3.0 0~3 發(fā)送GBE2的LED、GPIO3DDI1~3×4 PCIE ×24PEG×8 PCIE ×25C、D部分RSVD3A3000、7A1000的JTAG、調(diào)試串口6PCIE6、PCIE7、SATA3懸空缺省
如圖4所示,龍芯3A3000核心模塊處理器需要外部提供系統(tǒng)時鐘25MHz、內(nèi)存時鐘33MHz、HT單端時鐘100MHz、HT差分時鐘200MHz和PCI時鐘33MHz(因涉及到其他接口工作,PCI接口時鐘必須有外部時鐘供給),其中系統(tǒng)時鐘、內(nèi)存時鐘和HT單端時鐘由橋片7A1000提供,PCI時鐘和HT差分時鐘由外部時鐘提供。CPU的HT總線時鐘可在BIOS中選擇是單端100MHz還是差分200MHz。
圖4 主要時鐘框圖
核心模塊上橋芯片LS7A1000外部100MHz單端時鐘做為橋芯片的主要時鐘,通過100MHz時鐘的倍頻、分頻,生成25MHz、33MHz、100MHz時鐘供給CPU;其次為了橋芯片上HT、LPC、RTC、PCIE、SATA和USB等模塊工作正常,通過外部時鐘和晶振,向橋芯片各模塊供給[5]。橋芯片HT總線參考時鐘為差分200MHz,與CPU共用一個多路輸出的差分時鐘源PI6C557。PCIE的F0、F1、G0、G1、H,和SATA的0、1、2通道,COMeTYPE6 Compact 定義PCIE基準(zhǔn)時鐘均為100MHz,采用單路差分時鐘輸入+10路時鐘緩沖器輸出的組合完成時鐘分路,時鐘緩沖器選用SILICON LABS的SI53321。
如表2所示,龍芯3A3000核心模塊遵循COMeTYPE6定義標(biāo)準(zhǔn),延續(xù)TYPE6的ACPI電源和系統(tǒng)管理模式。ACPI的電源和系統(tǒng)管理輸入輸出管腳大部分是從橋片組7A1000的ACPI管理模塊中引出,SLEEP管腳接在EC的GPIO上,再通過LPC向橋片發(fā)送進入S3或跳出S3狀態(tài)指令。龍芯3A3000核心模塊設(shè)計電源和系統(tǒng)管理,使得核心模塊同個人計算機一樣具備電源開關(guān)機、休眠/喚醒、重啟、合蓋關(guān)屏、系統(tǒng)掛起等功能。
表2 電源和系統(tǒng)管理信號一覽表
龍芯3A3000核心模塊自己具備狀態(tài)檢測功能。核心模塊上EC通過內(nèi)部ADC對板上主要電源進行采樣分析,對板上主要電源電壓進行監(jiān)控;EC通過I2C接口外擴溫度傳感器,溫度傳感器在LAYOUT時安裝在CPU、橋片和主要電源周邊,對器件溫度進行監(jiān)控。若核心模塊上某電源電壓或某芯片溫度超標(biāo),EC通過LPC與橋片和CPU通信,向操作系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機指令,從而保護核心模塊和載板。此外,龍芯3A3000核心模塊上EC的SMBUS接口對外提供,除了通信,還可以做為載板狀態(tài)管理的監(jiān)控接口。
如圖5所示,龍芯3A3000核心模塊由于處理器、橋片組和部分外設(shè)模塊需要的電源種類很多,而且在不同狀態(tài)下電源應(yīng)用情況不同,使得龍芯3A3000核心模塊電源設(shè)計略顯復(fù)雜。因遵循COMeTYPE6標(biāo)準(zhǔn)電源定義,440-pin連接器只向核心模塊提供+12V和待機5V,板上其他電源全部由+12V和待機5V通過板上DC-DC和電源開關(guān)轉(zhuǎn)換提供。待機5V通過高效率低自耗的電源轉(zhuǎn)換器TPS62560轉(zhuǎn)換出EC和橋片所需的待機電源。如果載板向核心模塊提供待機5V電源,EC和橋片的待機模塊在正常工作,實時監(jiān)控ACPI控制信號。其他電源被核心模塊上ACPI電源狀態(tài)所控制。如果載板向核心模塊提供待機5V和+12V電源,外部PWRBTN信號被觸發(fā),SYS_RESET管腳正常釋放,核心模塊ACPI信號S3、S5控制所有電源芯片和開關(guān)啟動,向電路供電。
若需要進入休眠狀態(tài),系統(tǒng)通過ACPI信號S3控制關(guān)閉例如DDR VTT、DDR VREF、CPU外設(shè)等電源,達(dá)到低功耗目的。若需要從休眠喚醒,至運行狀態(tài),則ACPI信號S3控制并打開電源,使其正常工作,如圖6所示。
龍芯3A3000核心模塊采用PMON作為核心模塊BIOS固件,操作系統(tǒng)采用中標(biāo)麒麟系統(tǒng)。根據(jù)龍芯3A3000核心模塊對外提供的SATA、USB、UART、SPI、I2C、SMBUS和PCIE接口,設(shè)計對應(yīng)的接口驅(qū)動,封裝成API函數(shù)。在核心模塊BIOS中可對各個通訊模塊的使能/禁止、時鐘、通訊速率和工作模式進行選擇,適配各類產(chǎn)品,并根據(jù)產(chǎn)品特點對資源進行裁剪。
圖7 核心模塊效果圖
經(jīng)過一系列研制工作后,我們實現(xiàn)了龍芯3A3000核心模塊的硬件平臺研制,如圖7所示。龍芯3A3000核心模塊搭載LS3A3000處理器,國產(chǎn)內(nèi)存4GB,對外引出6路USB、2路GBE、1路2-channel LVDS(默認(rèn)最高分辨率1600×1200@60Hz)、1路VGA(默認(rèn)最高分辨率1600×1200@60Hz)、3路SATA、1路音頻HAD、6路PCIE X1、2路PCIE X4、2路PCIE X8、1路LPC、1路SMB和2路UART接口。因絕大部分管腳定義兼容COMeTYPE6標(biāo)準(zhǔn),可直接使用現(xiàn)成COMe TYPE6的計算機載板進行使用。
基于龍芯LS3A3000處理器的COMe核心模塊是基于國產(chǎn)主流CPU、SDRAM、BIOS和操作系統(tǒng)的自研產(chǎn)品,以其通用化、模塊化和組合化等特點為終端操控和信息處理等領(lǐng)域提供了良好的解決方案。