采用龙芯2F处理器的车载和便携设备系统设计方案

引言

近年来，车载和便携式多媒体播放设备倍受人们追捧，竞相推出多种设计方案。基于龙芯2F[1，2] （LOONGSON-2F ）处理器的车载和便携设备设计方案主要面向车载娱乐、超移动设备（UMD）、移动Internet 设备（MID）等高性能、低功耗嵌入式领域从事开发和生产的公司企业。该方案采用龙芯2F（LOONGSON-2F ）处理器为控制核心，根据车载和便携设备工作环境和特点，采用SM502 [3]多功能显示控制芯片，它能够支持多种媒体格式，可实现上网、看电视、录制和播放音乐等功能；板载FLASH 和DDR2 内存，可独立引导系统内核工作，利用串口作为系统终端。也可通过板载的通用PCI 和LOCAL BUS 总路线接口进行系统扩展，方便用户进行二次开发，加之CPU 使用国产芯片，具有功耗低、价格低廉的特性，该设计方案具有较高的应用和参考价值。

1． 龙芯2F 处理器的功能与特点

本系统采用的龙芯2F（LOONGSON-2F ）处理器，是中国科学院计算技术研究所最新发布的一款64 位MIPSⅢ指令集的通用RISC 微处理器。该处理器在国内首个采用了90nmCMOS 设计工艺，面积为35nm2，典型工作频率800MHz 下实测功耗为4"5W ，最高工作频率可达1G；最高浮点运算速度为每秒40/80 亿次双/单精度浮点运算，片内集成了PCI/PCIX 等IO 控制器，并集成片上二级CACHE、DDR2 内存控制器，非常适合高端嵌入式领域。

2． 系统硬件结构设计

系统的结构框架如图1 所示。 

龙芯2F（LOONGSON-2F ）处理器为整个系统的控制中心，并承担所有数据的处理任务。系统通过ICS950220 时钟合成器产生主板上各芯片所需的时钟，同时该芯片带有看门狗功能。系统内存是通过处理器内部集成的DDR2 控制器扩展，考虑到PCB 印制板的面积和访存更高的带宽需求，采用4 片16bit 位宽的内存颗粒方案，内存容量取决于采用颗粒的容量，最大可支持1GB 内存，其工作频率为300MHz 。通过处理器提供的LOCAL BUS 扩展512KB Flash ROM 用于系统BIOS 存储。

2．1 系统电源

无论是车载还是便携设备均需需采用直流电源供电，因此，节能和和高效是电源设计的主题。图1 的电源模块可见，本系统主板采用了+5V 的直流适配器作为供电电源，供给CPU 使用的1.2V 和供给接口威廉希尔官方网站 使用的3.3V 直流电源由于通过的电流比较大，均采用效率较高的开关电源。按照常规设计，供给DDR2 和SM502 使用的1.8V 电源由3.3V 电源引入，分别由两个线性电源（LDO）产生，本系统均改成效率较高的开关电源实现，提高了整个系统的效率，实测整个系统的功耗控制在10W 以内。

2.2 系统接口

1、系统通过多功能显示控制芯片SM502 驱动各种接口，SM502 可通过PCI BUS 直接与处理器相连，支持2D 显示加速，可提供：AC97 标准音频接口（通过ALC203 芯片控制）、一个UBS1.1 接口、一个标准RS232 串口和一个调试串口（均由SP3232 芯片控制）、VGA 和LCD 显示接口、ZV 视频接口（由SSA7118 芯片控制）。

2、系统通过PCI BUS 采用RTL8139D 作为以太网控制芯片，提供10/100M 以太网接口。

3、系统通过PCI BUS 采用uPD720102 作为USB 控制器芯片，提供三个USB2.0 接口。其中一路USB接口通过AU6331 读卡机控制器芯片，提供一个SD/MMC 接口。 

3． 系统软件

本系统运行在LINUX DEBIAN4.0 操作系统下，其内核为LINUX 2.6.21。将Bootloarder–PMON2000 烧制在板载的BIOS ROM 中，加电后自动完成处理器、缓存、内存控制器、网络控制器等初始化工作。同时PMON2000 拥有少量行命令集，用于启动后对内存的读写校验、板载Flash 的擦写、IP设置、串口设置以及跟主机之间进行数据通信，包括上传、下传文件、接收主机下达指令等等。通过PMON2000的内部命令将LINUX 2.6.21 内核装入内存。

在内存条上有一个ROM,里面保存着内存大小、行地址数、列地址数、内存的bank 数等信息，这些信息可以通过I2C 总线来访问到。作为一种通用设计方案，要求能支持各种不同类型的内存条。而在系统的调试过程中，我们发现SM502 芯片的I2C 逻辑有bug 。因此采用SM502 的gpio 来模拟I2C 时序，实现对内存（DIMM）条信息的读取。并利用读取到的信息对龙芯2F 处理器的DDR2 控制器进行配置，收到良好的效果。经测试，目前该系统支持市场上的所有类型的内存条。

4．信号完整性设计

由于整个系统模块威廉希尔官方网站 体积较小，而威廉希尔官方网站 的工作频率较高，因此整个设计对信号的完整性有严格的要求。龙芯2F 处理器的DDR2 内存总路线工作频率高达300MHz ，这部分威廉希尔官方网站 是高速威廉希尔官方网站 设计的一个瓶颈，对这部分威廉希尔官方网站 仿真的结果基本上可以反映出整个威廉希尔官方网站 信号传输的效果。下面以DDR2 控制信号为例，描述该问题采取的设计方法和流程。

在实际设计中，首先利用龙芯2F 的IBIS 模型和仿真工具[4]预先确定关键信号的走线拓扑结构和匹配方式，由此来制定PCB 布线的约束。先提取PCB 布线前的仿真模型，通过观察对应的仿真结果波形，可确定获得较好信号质量的走线拓扑结构和匹配威廉希尔官方网站 参数。完成PCB 布线后，再提取实际拓扑进行仿真，提取后的拓扑见图3 所示。此时模型已包括PCB 板的叠层和阻抗控制信息，并对实际过孔进行了建模。通过调整走线并观察仿真结果可获得最终最佳的走线。图4 给出了调整后的仿真结果，可以观察到在receiver 端获得了较好的信号质量，同时driver 端的过冲现象也在可接受的范围内。最后在实际板极调试中再测量实际信号波形，通过调整匹配元件进行微调来确保实际信号质量的可靠性。实践表明，基于这种方法和流程能减少信号完整性带来的设计风险，降低调试难度。本文稿中所有仿真IC modeling 参数为typical，driver 的激励信号为133MHz 周期信号。 

5．小结

本文介绍了基于龙芯2F 处理器的车载和便携设备系统设计过程，主要对系统硬件结构、软件系统、信号的完整性设计、提高整机效率等关键技术进行了阐述。该系统结构紧凑，既能独立工作又提供了灵活的扩展接口，具有很大的应用前景。