基于兆芯X86 架構(gòu)處理器的國(guó)產(chǎn)化CPCI 主板設(shè)計(jì)

王浩宇

（四川省綿陽(yáng)西南自動(dòng)化研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示自2013 年起集成電路已超過(guò)原油成為我國(guó)第一大進(jìn)口商品，至2018 年集成電路進(jìn)口規(guī)模已超3000 億美元。 其中CPU 及存儲(chǔ)器兩類占70%份額。 處理器以Intel、AMD 的X86 架構(gòu)為主。

X86 架構(gòu)處理器以其強(qiáng)大的性能、友好的人機(jī)交互、良好的軟硬件生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制、黨政辦公系統(tǒng)、軍用計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

隨著我國(guó)的快速崛起，國(guó)際形勢(shì)也隨之變化，而我國(guó)對(duì)國(guó)外以處理器為代表的集成電路的高度依賴， 導(dǎo)致在該領(lǐng)域有隨時(shí)被“卡脖子”的可能，嚴(yán)重威脅到國(guó)家的安全戰(zhàn)略。

目前國(guó)內(nèi)通過(guò)IP 授權(quán)的方式取得X86 處理器研制生產(chǎn)的廠商有兩家， 分別是兆芯及海光。 從而實(shí)現(xiàn)X86架構(gòu)處理器國(guó)產(chǎn)化。

本文對(duì)基于兆芯X86 處理器并搭載外圍國(guó)產(chǎn)化電路實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化的一款CPCI 工控主板實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行介紹。

1 兆芯處理器介紹

兆芯X86 處理器自2015 年第一款ZX-C 系列處理器量產(chǎn)以來(lái)， 經(jīng)過(guò)4 年的積累， 產(chǎn)品迭代， 最新處理器ZX-E 系列已可對(duì)標(biāo)7 代I5 桌面版。

兆芯處理器廣泛地應(yīng)用于安可系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、黨政辦公系統(tǒng)等專用領(lǐng)域。 兆芯公司同時(shí)擁有CPU、芯片組及GPU 的IP，其硬件生態(tài)比較完整。 昆侖、百敖及AMI 均能對(duì)兆芯處理器進(jìn)行BIOS 支持。

目前兆芯處理器分為開(kāi)先及開(kāi)勝兩條產(chǎn)品線。 開(kāi)先應(yīng)用于PC 機(jī)、筆記本、工業(yè)控制及嵌入式等領(lǐng)域，開(kāi)勝主要應(yīng)用于服務(wù)器、存儲(chǔ)等領(lǐng)域。 考慮到本主板的應(yīng)用方向選擇了開(kāi)先處理器。 開(kāi)先處理器包括ZX-C、ZX-C+、KX-5000 及KX-6000 四大系列。 本文選擇功耗、性能較為均衡且支持XP 操作系統(tǒng)的ZX-C+處理器C4701，并搭載橋片ZX100S。

2 主板詳細(xì)設(shè)計(jì)

如圖1 所示本主板以兆芯處理器C4701 加橋片ZX-100S 搭建最小系統(tǒng)，并在外圍搭配接口芯片擴(kuò)展出以太網(wǎng)接口、串口、USB 接口、VGA 顯示等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互及人際交互等功能， 通過(guò)PCIE to PCI 橋擴(kuò)展出一路PCI 總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 主板系統(tǒng)框圖

2.1 電源設(shè)計(jì)

兆芯平臺(tái)的電源設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)方面， 第一是時(shí)序設(shè)計(jì)、第二是CPU 核電源設(shè)計(jì)。 下面分別對(duì)上述兩點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1.1電源時(shí)序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中有嚴(yán)格時(shí)序要求的是處理器C4701 及橋片ZX-100S。 其中處理器僅3 路電源VCC、VCCA 及VCCP，上電時(shí)序要求為VCCA 與VCCP 同時(shí)上電，VCCA 與VCCP 在VCC 之前或者一起上電。 在本文中選擇VCCP 及VCCA 先于VCC 上電。

ZX-100S 電源多大13 種，上電時(shí)序較為復(fù)雜，其時(shí)序如圖2 所示。

圖2 ZX-100S 上電時(shí)序圖

2.1.2 CPU核電源設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一片國(guó)產(chǎn)PWM 信號(hào)調(diào)試器PT9528 替換ISL6262。 PT9528 與ISL6262 指標(biāo)一致， 封裝及信號(hào)定義PIN TO PIN 兼容。在外圍電路存在差別，具體如圖3 所示。

2.2 內(nèi)存設(shè)計(jì)

ZX-100S 集成兩個(gè)64bit DDR3 控制器，最高帶寬可達(dá)1600MT/s。 本文通過(guò)其中一路通道擴(kuò)展2GB 板載內(nèi)存顆粒，另一通道引出一路SO-DIMM 內(nèi)存接口。

圖3 處理器核電源電路圖

內(nèi)存設(shè)計(jì)中較為重要的是時(shí)序控制及阻抗控制。 其約束條件如下：

表1

2.3 PCIE 接口設(shè)計(jì)

ZX-100S 集成了19 條高速收發(fā)LAN，最高可配置為6 個(gè)PCIE 端口。 該配置在BIOS 中實(shí)現(xiàn)。 本文中配置出3路X1 PCIE 接口加1 路X2 PCIE 接口擴(kuò)展出1 路PCI 總線及3 路10/100/1000M 以太網(wǎng)接口。 其中X2 接口可作為1 路X1 接口使用。

本文中選用PCIE TO PCI 橋片SM8122 實(shí)現(xiàn)PCI 總線的擴(kuò)展。 由于SM8112 僅支持4 路仲裁信號(hào)，擴(kuò)展出7路標(biāo)準(zhǔn)PCI 外設(shè)則需要增加仲裁信號(hào)。 增加仲裁信號(hào)有兩種方式，第一是通過(guò)CPLD 實(shí)現(xiàn)外部仲裁器，第二是使用一片PCI TO PCI 橋片SM2050 實(shí)現(xiàn)仲裁信號(hào)的擴(kuò)展。本文采用CPLD 實(shí)現(xiàn)外部仲裁器的方式擴(kuò)展仲裁信號(hào)。

以太網(wǎng)控制器選擇JEM82573。

2.4 串口設(shè)計(jì)

ZX-100S 集成了4 路UART 接口，本文中使用串口0及串口1 連接RS232 物理芯片SM3232 擴(kuò)展出兩路RS232 接口。串口3 作為調(diào)試接口，在調(diào)試階段可在BIOS代碼中控制輸出調(diào)試信息，提高Debug 效率。

3 UEFI BIOS 啟動(dòng)流程介紹

BIOS 在X86 體系中作為軟硬件連接的橋梁，其地位無(wú)可替代。 圖4 是基于UEFI 協(xié)議的BIOS啟動(dòng)流程。 UEFI 架構(gòu)的平臺(tái)開(kāi)機(jī)由POWERON 開(kāi)始經(jīng)歷SEC、PEI、DXE、BDS、OS Loader 以及RUNTIME 五個(gè)階段。

圖4 BIOS 啟動(dòng)流程圖

SEC 階段：平臺(tái)開(kāi)機(jī)后即進(jìn)入SEC Phase，此階段完成從實(shí)模式到保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換，完成內(nèi)存的初始化，為后續(xù)C 代碼的運(yùn)行提供環(huán)境。

PEI 階段：PEI Phase 會(huì)找到BIOS 中所有的PEIM 并根據(jù)dependency 來(lái)安排調(diào)用他們的順序， 這些PEIM 主要完成PCI 總線， 南北橋設(shè)備的基本初始化， 創(chuàng)建一個(gè)HobList 傳輸給DXE Phase。 最后調(diào)用DxeIpl 進(jìn)入DXE Phase。

DXE 階段：DXE Phase 包含DXE Core，DXE Dispatcher，DXE Driver，DXE Core 會(huì) 根 據(jù)Dependency 用DXE 調(diào)度器安排DXE 驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行順序。 此階段用來(lái)初始化平臺(tái)并啟動(dòng)OS 提供一些必要的服務(wù)。

BDS 階段：BDS Phase，即啟動(dòng)設(shè)備選擇階段，此階段會(huì)初始化好控制臺(tái)設(shè)備，并且裝載所有Driver，并初始化好啟動(dòng)順序，并選擇默認(rèn)啟動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行啟動(dòng)。

OSLoader： 系統(tǒng)裝載器， 主要任務(wù)是執(zhí)行一個(gè)Exit-BootServices（）的服務(wù)，來(lái)結(jié)束B(niǎo)DS Phase，并把系統(tǒng)控制權(quán)交給OS， 此后BootServices 將無(wú)效， 只有RuntimeServices 可以使用。

Runtime Phase：OS 掌控整個(gè)系統(tǒng)， 此時(shí)UEFI OS 將只能使用UEFI 提供的RuntimeSerivices，而不能使用UEFI 的BootServices。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中提出一種基于兆芯公司X86 處理器的全國(guó)產(chǎn)化CPCI 主板解決方案。 可在工控、軍用嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于INTEL 處理器的CPCI 主板實(shí)現(xiàn)軟硬件無(wú)縫、快速替代。 消除“卡脖子”戰(zhàn)略安全隱患。