基于龍芯3A3000處理器的COMe核心模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 敏 運(yùn) 琛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

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(yùn)，加上國內(nèi)電子計(jì)算機(jī)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(fèi)的時(shí)間周期長，物料費(fèi)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(jì)方案為主，可靠性能較低，不易維修、更換，保障力度不夠。基于龍芯3A3000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(jì)，為國產(chǎn)化計(jì)算機(jī)提供通用化、組合化、模塊化設(shè)計(jì)理念[1]。本文闡述了龍芯3A3000核心模塊的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方案。

1 龍芯處理器簡介

龍芯3A3000處理器是一個(gè)配置為單節(jié)點(diǎn)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(gè)高性能能處理器核；

2)共享8MB三級緩存；

3)集成2個(gè)64位帶ECC、800MHz的DDR3控制器，用于內(nèi)存擴(kuò)展；

4)集成2個(gè)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(gè)32位PCI、1個(gè)LPC、2各UART、1個(gè)SPI和16各GPIO接口。

2 COMe標(biāo)準(zhǔn)簡介

COMe標(biāo)準(zhǔn)，全稱為COM Express? Module Base Specification,是一種開放式的模塊化計(jì)算機(jī)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(jī)械規(guī)范[3]。以此標(biāo)準(zhǔn)形成的計(jì)算機(jī)模塊具有模塊化、通用化等特點(diǎn)，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(jì)算機(jī)、機(jī)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(gè)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(gè)，剩余8個(gè)PCIE X1接口；

6)最多2路外擴(kuò)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(gè)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(jī)和3.3V RTC電源輸入。

3 核心模塊設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)，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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 3A3000核心模塊機(jī)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(kuò)展更新和核心模塊維護(hù)。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(jì)載板時(shí)，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(jì)為被動式導(dǎo)熱形式，頂部與機(jī)箱導(dǎo)熱面之間填涂導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行熱傳導(dǎo)。如果在機(jī)箱空間允許的情況下，也可將散熱器設(shè)計(jì)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

3.2 主要電路設(shè)計(jì)

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(jì)8片512MB國產(chǎn)化DDR3 SDRAM(供應(yīng)廠家為紫光國芯)，共計(jì)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(gè)DVO顯示接口；

3)16位DDR3 顯存接口；

4)3個(gè)PCIE×8接口，2個(gè)PCIE×4接口；

5)3個(gè)SATA 2.0接口；

6)2個(gè)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(shí)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(jì)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(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)，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(jī)交互、聲卡和其他通訊擴(kuò)展。

為方便調(diào)試跟蹤，龍芯3A3000核心模塊在設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)。

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

3.3 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

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(shí)鐘25MHz、內(nèi)存時(shí)鐘33MHz、HT單端時(shí)鐘100MHz、HT差分時(shí)鐘200MHz和PCI時(shí)鐘33MHz(因涉及到其他接口工作，PCI接口時(shí)鐘必須有外部時(shí)鐘供給)，其中系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)存時(shí)鐘和HT單端時(shí)鐘由橋片7A1000提供，PCI時(shí)鐘和HT差分時(shí)鐘由外部時(shí)鐘提供。CPU的HT總線時(shí)鐘可在BIOS中選擇是單端100MHz還是差分200MHz。

圖4 主要時(shí)鐘框圖

核心模塊上橋芯片LS7A1000外部100MHz單端時(shí)鐘做為橋芯片的主要時(shí)鐘，通過100MHz時(shí)鐘的倍頻、分頻，生成25MHz、33MHz、100MHz時(shí)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(shí)鐘和晶振，向橋芯片各模塊供給[5]。橋芯片HT總線參考時(shí)鐘為差分200MHz，與CPU共用一個(gè)多路輸出的差分時(shí)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(shí)鐘均為100MHz，采用單路差分時(shí)鐘輸入+10路時(shí)鐘緩沖器輸出的組合完成時(shí)鐘分路，時(shí)鐘緩沖器選用SILICON LABS的SI53321。

3.4 ACPI管理設(shè)計(jì)

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(jìn)入S3或跳出S3狀態(tài)指令。龍芯3A3000核心模塊設(shè)計(jì)電源和系統(tǒng)管理，使得核心模塊同個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣具備電源開關(guān)機(jī)、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

3.5 狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

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(jìn)行采樣分析，對板上主要電源電壓進(jìn)行監(jiān)控；EC通過I2C接口外擴(kuò)溫度傳感器，溫度傳感器在LAYOUT時(shí)安裝在CPU、橋片和主要電源周邊，對器件溫度進(jìn)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(jī)指令，從而保護(hù)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。

4 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1 電源設(shè)計(jì)

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(jì)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(jī)5V，板上其他電源全部由+12V和待機(jī)5V通過板上DC-DC和電源開關(guān)轉(zhuǎn)換提供。待機(jī)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(jī)電源。如果載板向核心模塊提供待機(jī)5V電源，EC和橋片的待機(jī)模塊在正常工作，實(shí)時(shí)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(jī)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(jìn)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(yùn)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。

4.2 系統(tǒng)適配性

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(jì)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(gè)通訊模塊的使能/禁止、時(shí)鐘、通訊速率和工作模式進(jìn)行選擇，適配各類產(chǎn)品，并根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對資源進(jìn)行裁剪。

5 實(shí)現(xiàn)成果

圖7 核心模塊效果圖

經(jīng)過一系列研制工作后，我們實(shí)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(jì)算機(jī)載板進(jìn)行使用。

6 結(jié)束語

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(diǎn)為終端操控和信息處理等領(lǐng)域提供了良好的解決方案。