一種雙X86處理器架構的網絡設備硬件設計

郭魯皓

摘 要：為滿足雙處理器、雙操作系統分工協同工作完成數據處理的需求，選用因特爾公司生產的ATOM系列處理器N2600和橋片NM10，設計了一種雙X86處理器架構的數據處理系統電路，通過NM10的PCIE接口擴展多路以太網口與系統外部進行數據交換，實現雙處理器協同、分工、同步工作，實現多路同步、高速的數據處理與控制功能。

關鍵詞：X86;雙處理器;N2600;82574控制器;以太網;數據交換

中圖分類號：TP338.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，物聯網系統對網絡硬件設備的性能提出了越來越高的要求，對硬件設備的數據處理能力和設備之間的通信傳輸交換能力的要求也在逐步提高。設備可采用雙處理器、雙操作系統，雙系統獨立運行、分工協同工作以完成不同功能任務的方式提升網絡設備的功能和性能。硬件上設計2套處理器系統電路，預留豐富的對外接口;軟件方面采用VxWorks操作系統，該系統實時性、可靠性、互聯性優異。雙處理器構架的網絡設備硬件設計具有一定的經濟性、適用性和擴展性，在物聯網領域具有一定的推廣應用價值。

根據雙處理器、雙操作系統可分工協同完成數據處理、運算控制的使用需求，在一個電路模塊上設計實現兩套相對獨立的CPU處理電路，兩個CPU之間通過以太網通信，且處理電路對外有多種接口。設計如圖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、內部集成顯卡等優點[1]。該處理器除了支持 Windows XP操作系統外，還支持VxWorks操作系統，配合橋片使用可滿足各種接口擴展需求。

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4x或4個1x PCIE總線，支持8路USB端口[2]。NM10橋片配合Intel N2600處理器完成對外接口和總線的擴展，N2600處理器配合NM10橋片使用，可滿足低功耗需求。

2 電路設計

2.1 電路組成

系統硬件如圖2所示。系統由三個功能區電路組成，分別為2個CPU系統電路和電源管理電路。2個CPU系統電路完全相同，包含CPU最小系統和相應的外設接口。CPU最小系統包括N2600處理器、NM10橋片、BIOS FLASH芯片、DDR3外置存儲器和SSD電子盤。該最小系統最多可提供

4條PCIE 1x總線，8個USB，2個SATA，2個顯示口。本設計中每個最小系統只使用2條PCIE 1x總線，2個USB，1個SATA，1個顯示口。

2.2 網口設計

設計多路以太網口用于與數據輸入輸出、對外部系統進行控制。N2600處理器無以太網接口，設計使用NM10的PCIE接口通過以太網控制器實現網口擴展。以太網控制器采用Intel公司設計生產的82574千兆位以太網控制器，配合對應的變壓器、TVS保護器件實現多路以太網口擴展目的。NM10可提供四組PCIE 1x總線，滿足三片82574的使用需求，每個1x的PCIE接口外接一片82574。

82574支持802.3X流控制規范、802.1QVLAN規范與MAC地址過濾;支持MAC自循環模式;兼容1 Gb/s IEEE 802.3，802.3u，802.3ab規范;支持IEEE 802.3ab自動協商機制規范;支持10/100/1 000 Mb/s全雙工;支持10/100 Mb/s半雙工[3]。

2.3 VGA接口設計

設計VGA接口用于軟件開發調試。N2600處理器內部集成有GPU，GPU的對外顯示接口采用數字顯示接口DisplayPort。采用DisplayPort接口的顯示器較為少見，選用CH7517芯片將DisplayPort轉換成標準VGA模擬顯示器接口[4]，方便連接顯示器。

2.4 USB接口設計

設計USB接口用于外接鍵盤。USB接口數據線上連接TVS保護器，用于接口過流、過壓、靜電保護。USB接口的5 V電源串接可恢復保險管，以確保USB口的安全使用。

2.5 串口設計

設計RS 232串口用于開發調試。RS 232接口由NM10上的LPC總線接口通過IT8515E芯片[5]、電平轉換芯片MAX3232[6]、TVS保護器實現。

2.6 CPLD控制電路

CPLD控制電路包括CPLD芯片、復位監控芯片等。CPLD選用Xilinx公司設計生產的XC3S700AN[7]，看門狗由CPLD內部邏輯完成。復位監控芯片選用Maxim公司設計生產的MAX706[8]。CPLD和MAX706配合完成上電控制、復位控制、電源監控、狀態指示等功能。系統上電后，CPLD首先啟動，MAX706復位電路提供的復位信號通過CPLD復位兩個CPU。復位結束后放開復位信號，CPU啟動。設計使用復位按鍵可復位整個系統。CPU工作時，定時通過GPIO信號送清狗信號給CPLD，當CPU死機后，無清狗信號且達到設定的時間后，CPLD復位CPU。

2.7 電源管理電路

電源管理電路實現電源保護、電源監控功能，還設計有防止反接、過壓保護、過流保護及短路保護等功能。設定過壓閾值點與過流保護點，在過壓、低壓或超過設定閾值時均會自動保護。

3 操作系統

軟件操作系統為VxWorks。VxWorks 操作系統是Intel旗下美國風河公司（Wind River） 推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統，被廣泛應用在航空航天、通信、工業、醫療、消費電子、網絡通信等領域，VxWorks 操作系統在安全性、互聯性、可靠性、設備管理、用戶交互等方面性能優異[9]，可以滿足目前物聯網設備的使用要求。

VxWorks支持在線調試，網絡加載;支持標準C庫API;設計BootLoader分別提供基于網絡和本地Image文件的加載模式。系統BIOS采用AMIBIOS，電路模塊啟動時，CPU首先啟動標準的AMIBIOS，在設置界面使用鍵盤操作設置啟動方式、CPU設置等。系統設置成SATA硬盤啟動方式，SATA硬盤設置為IDE模式。在BIOS狀態下，內存、PCIE設備進行初始化，鍵盤等USB設備可以使用。

BIOS啟動后，自動運行Bootrom加載Vxowoks操作系統鏡像，啟動VxWorks操作系統。VxWorks操作系統包括網卡、USB、硬盤、串口、顯卡驅動，且支持網口和串口調試與顯示器命令行文字顯示。VxWorks采用DosFs文件系統，支持標準RS 232串口設備和標準I/O設備，可提供相關函數接口，同時Vxworks操作系統還支持TCP/IP網絡協議棧，可提供FTP，Telnet，Socket編程等網絡功能[10]。

4 測試方法

分別測試每個CPU的系統電路和接口，測試方法如圖3所示。

4.1 應用程序更新測試

通過網口將CPU的測試程序下載至板子的SSD中，重新加電且應用程序運行成功后，通過顯示器顯示運行成功信息。

4.2 DDR3 SDRAM讀寫測試

CPU分別以全0、全F、遞增數三種數據格式寫滿SDRAM進行回讀校驗，統計校驗錯誤數量，并將結果通過顯示器顯示。

4.3 網口測試

使用計算機對2個網口持續測試數萬包65 500 B的數據不丟包，CPU之間的網口持續測試數萬包65 500 B的數據不丟包。

4.4 串口測試

CPU通過RS 232接口與計算機通信，其波特率為

115 200 bps。數據格式：1個起始位，8個數據位，1個停止位，無校驗位。測試時，每幀為256 B，從0開始按1累加數據，處理器發送數據時，計算機通過串口調試助手或環回測試將接收到的數據進行校驗;處理器接收數據時，接收計算機發送的數據后進行校驗，顯示測試結果。

4.5 USB接口測試

USB接口接鍵盤對VxWorks系統進行操作調試。

4.6 VGA顯示接口測試

VGA接口接顯示器可正常顯示VxWorks系統的運行狀態。

4.7 功耗測試

直流電源加電，根據直流電源的電壓、電流顯示計算電路的功耗。

5 結 語

文章介紹了一種雙X86構架的網絡設備硬件設計方法與硬件電路測試方法。雙X86處理器可設置為每個處理器獨立工作，雙處理器分工完成不同任務的模式，實現雙重功能;也可以設置為處理器之間互為備份，冗余工作的模式，提升系統的任務可靠性。該網絡設備的硬件設計具有接口豐富、實時性好、功耗低、體積小、可靠性高、開發周期短等優點，在物聯網領域有著廣闊的應用空間。

參 考 文 獻

[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嵌入式系統的數據通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

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