英特爾嵌入式平臺硬件設計流程指導

摘 要 英特爾X86嵌入式平臺在各行各業中廣泛使用，X86技術開發的產品需求越來越多，Intel設計文檔與開發資料也特別的全面，這就需要從系統硬件的原理圖設計，布局設計到系統測試等作出指導，為英特爾平臺的硬件設計提供詳細參考，幫助開發人員很快熟悉X86平臺，節省寶貴的開發時間與項目成本。

【關鍵詞】英特爾 X86 嵌入式 設計流程

技術發展日新月異，如何能夠快速提供完整的解決方案，正成為現代高新技術企業的主要挑戰。這就要求開發團隊進行詳細的研究并深刻理解實際需求，進行需求分析，比如產品各項性能指標、產品功能要求、測試認證需求、項目成本目標等，進一步明確設計任務。英特爾產品線比較廣泛，針對設計任務和要求，學習平臺資料進行評估，設計可靠合理、經濟可行的方案時需要特別注意Intel平臺各項功能參數與實際需求相符合，具體需要參考英特爾產品文檔資料。

1 英特爾平臺文檔資料名詞術語

1.1 外部設計規范EDS（External Design Specification）

這份設計文檔包含了該平臺支持參考設計中的使用和實現的資料，幫助客戶設計使用英特爾的產品。還包含了使用特定的Intel組件的性能指標或系統設計的設計信息，以及Intel處理器核心、圖形、內存控制器、總線信號描述、系統內存匹配、總線接口數量、電氣特性、封裝信息、時鐘分配、芯片對電壓的要求、以及上電順序和輸入/輸出接口等具體信息。

1.2 平臺設計指南PDG（Platform Design Guide）

設計指南包含的信息支持參考設計的使用和實現的信息，幫助客戶設計使用英特爾的產品。還包含了使用特定的Intel組件的PCB板布局和板級系統設計的設計信息與設計建議，具體到CPU和芯片的每一種接口的接線與布線建議，如DDR拓撲結構、DMI、DDI、DSI、SATA、PCIe、USB等；Design Guide中也會有平臺中電源分配與上電順序設計指導等以及對PCB疊層、走線、接口、等長、過孔等做出詳細的規范和要求。

1.3 客戶參考設計原理圖CRB（Customer Reference Board schematic）

客戶參考板原理圖描述了一個Intel完整產品的特性，包含了特定產品客戶參考板的原理圖設計，會把Intel對應平臺的各個總線接口連接出來，通過調試即可實現系統功能，包括系統框架圖、電源方案、時鐘、平臺上電順序、電源管理、詳細原理圖實現到具體的元器件連接等。

1.4 客戶參考設計布局文檔（Customer Reference Board file）

客戶參考板布局文件是針對目標系統設計的一個布局文件。與客戶參考設計原理圖相一一對應的，使用參考客戶參考板用戶指南、客戶參考測試計劃和客戶參考系統設計。

1.5 平臺布局檢查表（Layout checklist）

布局檢查表是審查設計指南并實現一個系統布局設計重要環節，由大局到細節的與相關的平臺設計指南一起配合使用的，具體的每個總線接口都有詳細的要求和說明，比如說高速總線布線、過孔數量、時鐘分配、特性阻抗、長度限制等檢查可能發生的問題點，增強主板的穩定性能。

1.6 原理圖檢查表（schematic design checklist）

原理圖檢查表是一份產品設計原理圖需要審查的項目清單和列表，原理圖推薦設計與指導，可自查與CRB原理圖的接線區別與問題。檢查有關芯片周邊信號的連接、高速信號的連接、電源狀態、時鐘分配，未使用總線接口屏蔽注意事項，在原理圖設計中常常與外部設計規范EDS配合使用。

2 項目設計

在實際項目設計前期，要進行需求分析和明確開發任務。設計人員需要及時聯系Intel的技術支持工程師了解產品路線圖，結合項目實際需求，一起討論平臺的芯片方案；開發調試階段的調試工具種類和使用文檔，明確項目開發計劃及時間表；同步申請Intel CRB參考設計板進行先期調試與評估，以縮短產口開發周期，提前獲得Intel的技術支持和設計資源。當然，參考EDS及其他文檔的特性指標過程中，也需要進行初期產品軟件實現可行性研究，如與BIOS/OSV廠家討論SW開發與設計，MCU的實現與系統配合，OS與driver的功能實現，系統散熱方案的選擇等。結合項目需求，開始準備設計文檔和設計方案，需要先進行系統架構設計，畫出系統框圖與相關設計部門討論實現，整理出電源分配、時鐘、上電時序及復位、中斷、調試等單元構思框圖，結合Intel平臺客戶參考設計原理圖CRB，進行器件選型和單元方案實現到整體方案的制定。需要參考PDG，EDS，CRB等文檔，特別注意芯片的工作電壓、工作頻率、系統時序和整體功耗等，滿足系統設計需求。

在原理圖繪制階段，首先參考Intel芯片庫文件，做到原理圖排版清晰合理，版面排列均勻，學習EDS文檔中各組信號描述：系統內存、總線接口、電氣特性以及上電順序（此為平臺上電設計的重要基礎），從EDS中查閱相關信息，并參考CRB根據平臺各主要功能模塊對時序的要求匯整后進行定義項目平臺的上電時序；其次，結合項目功能需求，參考intel CRB原理圖設計，特別注意電源分配、時針安排、高速信號的連接等，原理圖初稿繪制后需要認真與intel的原理圖檢查表（schematic design checklist）結合排查容易出錯的地方，特別是DDR、PCIe、USB、DDI等高速信號；然后，硬件開發人員需要及時與SW同事一起討論和準備BIOS/Boot loader程序，為第一版打樣試產開機作好充分的準備。當然，選擇與繪制其他元器件也是一個重要組成部分，需要充分考慮后期的加工以及生產流程的方便性和元器的替代性。可以同步申請Intel技術支持人員進行項目原理圖的審查，結合檢查結果，召開原理圖設計小組進行最終討論和修改，對功能、性能、冗余設計等客戶功能要求規格與標準與Intel平臺各項指標相符合，以及工廠的可生產性、可調試性、可測試性進行等，最終修改確定。

布局和PCB設計階段，需要及時與機構/ID/EMI/RF/Power/thermal team合作，討論主要芯片的位置擺放問題，以滿足項目整體方案的設計需求。首先結合PCB疊層結構，計算各組高速信號的PCB走線的寬度能否順暢，討論電源器件位置以及敏感元器件位置擺放，產生正式設計文檔；注意把I/O接口、溫度、時鐘元器件位置以及限高區域重點討論；其次，繪制PCB布局時需要選擇合理的疊層設計、把主要元器件排列均勻，做到高速信號布線順暢；要特別注意干擾源及敏感信號的屏蔽，各種不同功能模塊的供電要做到相對隔離；注意高速信號與電源的走線分配，避免相互干涉；合理規劃電源模塊布局與電源分配路徑，根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。高速信號走線長度需要符合Intel規范，需要填寫PCB板上實際長度在等長表中檢查走線長度。合理規劃高速信號的參考平面及電源平面，特別注意DDR、DMI、DDI、DSI、SATA、PCIE、USB等高速信號的布線，以避免信號干擾和竄擾效應；拉大高速信號和模擬信號之間的距離，盡可能地增大信號線間的距離，可以有效的減少容性串擾；應盡量減小環路面積減小感性串擾。地線設計中，注意數字地對模擬地的噪聲干擾，可將數字地與模擬地分開、接地線應盡量加粗、數字電路系統的接地線構成閉環路，能提高抗噪聲能力。關注信號完整性的信號阻抗匹配、線寬走線均勻、線距保持合理；避免傳輸線的阻抗不連續性，減少使用樁線等。模擬信號，時鐘信號和溫度信號等敏感信號走線盡量短，并遠離電源等干擾源。過孔數量及分布合理，尤其是高速信號的過孔數量不超過要求，可以參考CRB layout file， layout checklist和PDG。遵守英特爾參考設計文檔PDG，做到電源分配合理，時鐘走線得當，DDR等高速信號沒有影響和被影響；后期，認真與layout 對照檢查表一項一項的仔細排查，尤其是高速信號、等長、電源、EMI對策等部分。接近發板前期，可以邀請英特爾專業工程師同步進行檢查，收到反饋結果后及時召開layout布局檢查會議，討論并修改后產生正式設計文檔進行發版制作。

PCB制作期間需要同步檢查物料表，協調試生產排程，準備首件測試計劃和調試工具軟件、調試設備。當收到首片PCB時，首先進行電源相關的開短路測試，確認無誤后進行上電測試，重點檢查電源時序、時鐘、reset等信號，對照英特爾平臺EDS中的上電時序要求，軟件硬件開發人員及時調整和解決不符合spec.要求的設計；接著power on 完成后，需要完成功能測試報告和信號完整性測試報告，然后進行系統功耗與電源品質測試、主要器件的兼容性和系統穩定性測試；生成正式的測試報告和變更文檔以便后續相關問題的追溯。必要時可以尋求英特爾平臺應用工程師在主板調試驗證方面的幫助。

根據首次試產后的測試結果，修改原理圖和布局設計，進一步檢查物料上件的準確性，同步解決工廠生產與功能測試相關的問題，形成設計文檔；在第二次試生產后，進一步驗證系統功能的穩定性，比如說高低溫，老化，跑長時間多次開關機等測試；及時解決相關測試部門發現的集中性問題。第三次打板后足夠臺數、次數的多次驗證系統穩定性的同時，也需要在產品最終量產前，改善生產良率，比如說簡化設計，使用排組減少零件數量等，對工廠生產和測試過程中，遇到的集中性問題進行解決直到開始量產出貨。

3 結束語

英特爾嵌入式平臺設計的目的是為了讓系統設備達到預期的功能，系統能夠更加穩定的運行，本文重點強調的Intel各個主要設計文檔的功能與內涵，解決了X86開發工程師在設計嵌入式平臺過程中遇到的種種困惑以及給出了指導方案，在大部分的系統硬件設計過程中運用可取得較好的項目成果，能夠縮短產品上市時間與開發資源。當然，現代快節奏的產品開發周期，各種項目的要求也千差萬別，可以結合具體實際情況，有針對的選擇重點的開發方向。

本文在下面三個方面有所創新：

（1）總體概括X86硬件主要設計文檔，高效指導硬件工程師充分理解和掌握Intel芯片設計知識；

（2）指出X86硬件設計主要流程，結合Intel的技術規范，縮短產品開發周期；

（3）實際開發經驗和驗證，指導硬件工程師設計穩定可靠的產品。

參考文獻

[1]Eric Bogatin.信號完整性分析[M].電子工業出版社，2005.

[2]伍微.STEPHEN H.Hall，GARRETT W.Hall James A.McCall.高速數字系統設計-互連理論與設計實踐手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]英特爾設計資源中心（Intel RDC）[J/OL]，https：//www-ssl.intel.com/content/www/us/en/design/resource-design-center.html

作者簡介

陳杰（1980-），男，江蘇省宿遷市人。在職碩士。英特爾亞太研發有限公司物聯網事業部，硬件工程師。主要負責汽車智能駕駛艙及自動駕駛方向硬件平臺的應用產品開發、技術支持和客戶設計技術問題解決。

作者單位

英特爾亞太研發有限公司物聯網事業部 上海市 200241