基于ATOM處理器的工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

阮 翔,周明政

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第52研究所，浙江 杭州 310013)

ATOM處理器采用突破性全新設(shè)計(jì)的45納米工藝，將4 700萬(wàn)個(gè)晶體管集成至一塊面積小于25 mm2的單一芯片中，從而成為了英特爾史上體積最小、功率最低的X86處理器。由于性能出色，功耗很低，ATOM處理器非常適用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、低功耗移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)、基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)臺(tái)式機(jī)，以及對(duì)功耗要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合[1]。

本文針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)小體積、低功耗的應(yīng)用需求，利用Intel最新的低功耗移動(dòng)ATOM處理器特點(diǎn)，提出一整套工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 平臺(tái)架構(gòu)

Intel定義的“迅馳Atom處理器技術(shù)”整套平臺(tái)包括Intel Atom處理器 （Silverthorne和 Diamondville）、低功耗“伴侶芯片”（橋芯片）以及超薄超輕的設(shè)計(jì)。Diamondville與945GSE橋芯片搭配組成Navy Pier平臺(tái)。Silverthrone和代號(hào)Pouslbo的橋芯片搭配組成Menlow平臺(tái)。Navy Pier平臺(tái)采用兩塊橋芯片，體積較大，主要適用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品，Menlow平臺(tái)中采用集成的橋芯片，整個(gè)平臺(tái)體積較小，功耗很低，非常適合工業(yè)平臺(tái)應(yīng)用，本文采用的是Menlow平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案。

Menlow平臺(tái)主要由 Poulsbo橋芯片和 ATOM Z5××處理器組成。Poulsbo橋芯片面積22 mm×22 mm，可提供兩條 PCI-E x1插槽、1個(gè)IDE PATA 100接口、3個(gè)SDIO和MCC存儲(chǔ)卡插槽，內(nèi)部集成了USB 2.0控制器、內(nèi)存控制器、高清晰度音頻控制器、圖形核心等眾多模塊。在圖形核心方面采用GMA500核心，核心頻率高達(dá) 200 MHz，支持DirectX 9、OpenGL和 3.0+Shaders，同時(shí)支持硬件解碼 H.264、MPEG2、MPEG4、WMV9 等[2]。

本設(shè)計(jì)中采用單通道內(nèi)存控制器，可以支持DDR2 533和 DDR2-400。通過(guò)橋片擴(kuò)展了網(wǎng)口、LVDS、DVO口，4個(gè)USB口，1個(gè)PATA和 SATA。音頻為 HD Audio。其他的如RS232、系統(tǒng)燈指示、開(kāi)關(guān)機(jī)控制則通過(guò)LPC總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖[5]如圖1所示。

2 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)

電源是ATOM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，難度在于：(1)因?yàn)橐o多個(gè)功能模塊供電，需要采用很多開(kāi)關(guān)電源，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的EMI電磁干擾影響很大。(2)要充分考慮電源的轉(zhuǎn)換效率。ATOM處理器主要用在便攜式的應(yīng)用場(chǎng)合，在選用器件時(shí)，不但要保證功率足夠，還要經(jīng)濟(jì)高效。電池的供電時(shí)間，也是整個(gè)系統(tǒng)性能考核的重要一環(huán)。電源轉(zhuǎn)換時(shí)功率損失所產(chǎn)生的熱量也會(huì)造成系統(tǒng)溫度上升，導(dǎo)致系統(tǒng)散熱成本的增加。

在本設(shè)計(jì)中，利用LT4100實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。VIN_3.3 V為常備電壓，只要外接電源或內(nèi)部電池有電，芯片7803就工作。該芯片主要是負(fù)責(zé)給EC供電。EC一旦檢測(cè)到開(kāi)機(jī)按鍵信號(hào)，就產(chǎn)生開(kāi)機(jī)脈沖POWEREQ#，LT3780開(kāi)始工作，電源管理電路開(kāi)始運(yùn)行，后續(xù)電路依次使能。設(shè)計(jì)中選用SC454為CPU內(nèi)核供電芯片，該片是單相高性能PWM控制器,專用于增強(qiáng)型IMVP-6和IMVP6+TM處理器。片內(nèi)支持所有IMVP-6/6+的需求，如有效電壓步進(jìn)、輸出電壓動(dòng)態(tài)可調(diào)，深睡眠設(shè)置等。SC454使用了遲滯控制技術(shù)，比傳統(tǒng)的PWM控制器有著更快的反應(yīng)速度。刪除了敏感電阻，減少了功耗，簡(jiǎn)化了PCB布板。集成智能化驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過(guò)軟開(kāi)關(guān)控制上下兩側(cè)的MOS管，有效減少了過(guò)沖、振鈴和 EMI。該芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘使能腳CLKEN#和過(guò)熱指示信號(hào)VRTT#。在電源輸出穩(wěn)定后，CLKEN#打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)鐘芯片；過(guò)熱時(shí)，VRTT#提供信號(hào)給橋片，關(guān)閉系統(tǒng)。SC454根據(jù)處理器負(fù)載情況調(diào)節(jié)核心電壓，負(fù)載上升時(shí)，逐步下降電壓，從而能夠使高負(fù)載狀態(tài)下的CPU耗電量降低。從而確保系統(tǒng)有比較低的TDP、平均與主動(dòng)耗電量。

選用 SC486產(chǎn)生DDR內(nèi)存的 1.8 V電源，SC415產(chǎn)生橋片的內(nèi)核電壓+VCCP和輔助I/O電壓+V1.5S，SC454產(chǎn)生+VCC_CORE。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，上電次序很重要，一般情況下，先開(kāi)SC486，輸出電壓穩(wěn)定后，再開(kāi)SC415，+VCCP和+V 1.5S穩(wěn)定后才使能 SC454，輸出+VCC_CORE。關(guān)機(jī)次序則相反。本項(xiàng)目采用CPLD實(shí)現(xiàn)了電源的開(kāi)關(guān)機(jī)和低功耗處理，包括進(jìn)操作系統(tǒng)后的關(guān)機(jī)、待機(jī)、休眠以及重啟功能。如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)可靠性以及電磁兼容特性，電源的合理布局非常重要。正確的解決方案是在印制電路板的電源層按電源布局分割出相應(yīng)數(shù)量的電源塊。每個(gè)電源塊都應(yīng)保證足夠的面積以負(fù)荷工作電流，而且擁有各自獨(dú)立的返回地線以有效避免不同電源之間的干擾。其次還應(yīng)該在電源上加不同頻響段的退耦電容以保持電源的純凈。

3 時(shí)鐘拓?fù)?/h2>

系統(tǒng)所需要的各種時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘發(fā)生器ICS9UMS9001產(chǎn)生，特點(diǎn)如下:專為超級(jí)移動(dòng)PC（UMPC）設(shè)計(jì)的時(shí)鐘芯片，芯片內(nèi)部最大限度抑制EMI電磁干擾；外加14.318 MHz晶振為振蕩源;支持電源管理模式，具有低功耗和正常工作兩種模式。本設(shè)計(jì)中，將模式選擇輸入管腳和SC454的CLKEN#連接，確保在CPU內(nèi)核上電時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器工作，在休眠、待機(jī)等情況時(shí)，同步進(jìn)入低功耗模式。

4 系統(tǒng)音頻

Pouslbo內(nèi)部集成了HD Audio數(shù)字音頻控制器。與傳統(tǒng)的AC’97相比，HD Audio具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬寬、音頻回放精度高、支持多聲道陣列麥克風(fēng)音頻輸入、CPU的占用率更低和底層驅(qū)動(dòng)程序可以通用等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，在外部擴(kuò)展了一片符合 HD Audio規(guī)范的 CODEC編解碼芯片 ALC888，即可實(shí)現(xiàn)通用音頻功能，音頻放大器采用 SM2303[5]。ALC888是一個(gè)7.1+2通道的HD Audio編解碼芯片,具有2路立體聲輸入 ADC，10路DAC輸出,幾乎可以同時(shí)支持7.1音頻回環(huán)、2路立體聲輸出。該芯片有2個(gè)SENSE信號(hào)線，帶有插入感知功能，可以感知音頻插頭插入和拔除。Pouslbo的HD Audio數(shù)字音頻控制器通過(guò)專門的“Azalia Link”總線與 ALC888通信。具體信號(hào)線分別是位時(shí)鐘 (Bit Clock)、串行數(shù)據(jù)輸出(Serial DatOut)、串行數(shù)據(jù)輸入(Serial Data In)、同步信號(hào)(Sync)和復(fù)位信號(hào) (Reset#)。位時(shí)鐘頻率為 24 MHz，由Pouslbo產(chǎn)生。如圖3所示。

要想音頻品質(zhì)良好，在 PCB布線時(shí)模擬信號(hào)及回路必須與數(shù)字電路隔離，音頻電路的模擬部分對(duì)數(shù)字噪聲非常敏感。防范噪聲的最好措施是遵循“功能分區(qū)”的原則，建立一個(gè)獨(dú)立的模擬信號(hào)區(qū)域，以完全隔離模擬部分與數(shù)字部分的所有元件、信號(hào)通路、電源層以及接地層。一般將該區(qū)域放在板子的邊緣，以盡量縮短信號(hào)線，減少音頻信號(hào)線受干擾的可能。ALC888模數(shù)劃分很清晰，沒(méi)有交叉的區(qū)域，布板很方便[4]。

5 系統(tǒng)視頻 LVDS、DVO

Pouslbo內(nèi)部集成了GMA 500，配備了硬件解碼支持，可以支持MPEG-4 AVC(H.264)，可以在不給 CPU帶來(lái)額外負(fù)載的同時(shí)播放 VC1(WMV9)、MPEG-2、MPEG-4視頻。Pouslbo內(nèi)部集成了 LVDS、SDVO接口，可以直接引出。本設(shè)計(jì)中液晶顯示屏選用Philips的LP121×04，該屏 12.1英寸，1024×768像素，具有 LVDS接口，使用很方便。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，擴(kuò)展了一路DVO的接口。

6 外部接口

網(wǎng)絡(luò)控制芯片選用了Realtek瑞昱公司64Pin LQFP封裝的 RTL8111，該片基于 PCI-Express接口，真正解決了目前標(biāo)準(zhǔn)PCI接口對(duì)于千兆網(wǎng)卡帶寬不足的問(wèn)題。集成了10/100/1000轉(zhuǎn)換器，支持遠(yuǎn)程喚醒和網(wǎng)絡(luò)喚醒，兼容802.3系列協(xié)議，支持PCIE 1.1協(xié)議。該片嵌入了帶有自適應(yīng)均衡器的PCIE物理層，PCB布線長(zhǎng)度可以達(dá)到40英寸，設(shè)計(jì)使用很方便。

Pouslbo只支持PATA口。本設(shè)計(jì)中采用JM20330實(shí)現(xiàn)SATA/PATA轉(zhuǎn)換，該片包含了串行 ATA的物理層、連接層、傳輸層以及并行ATA的控制器（應(yīng)用層），符合串行ATA1.0a的協(xié)議，支持1.5 GHz的數(shù)據(jù)速率，主從模式可以通過(guò)跳線設(shè)置，支持PIO模式、UDMA模式[5]。

Pouslbo內(nèi)部集成了USB接口，通過(guò)濾波器直接引出到端口。本設(shè)計(jì)中，引出了4個(gè)USB外部接口，如圖4所示。

7 LPC總線

Pouslbo內(nèi)部集成了LPC總線控制器。LPC總線是Intel為了取消慢速的ISA而制定的一個(gè)新規(guī)格[3]。以前在ISA上跑的硬件，例如鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口等慢速外圍都可用支持 LPC的SUPER IO芯片控制，而且在軟件上是完全兼容的。本設(shè)計(jì)中，選用的LPC外部嵌入式芯片為IT8513，主要負(fù)責(zé)外接鍵盤、電池電量、系統(tǒng)指示燈、開(kāi)關(guān)機(jī)操作并通過(guò)ADM3202實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展引出兩路串口。系統(tǒng)BIOS芯片也掛接在LPC總線上。上電開(kāi)機(jī)后，由橋片提供時(shí)鐘，讀BIOS固件內(nèi)容，引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)。

系統(tǒng)BIOS采用 Phoenix BIOS 6.0源代碼軟件包，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。BIOS按功能可分為四個(gè)大的模塊：加電自檢 POST(Power On Self Test)部分、基本的中斷服務(wù)例程、系統(tǒng)BIOS設(shè)置和引導(dǎo)加載。POST提供了一系列診斷例程來(lái)測(cè)試系統(tǒng)組件，初始化數(shù)據(jù)區(qū)并報(bào)告系統(tǒng)信息[6]。一般說(shuō)來(lái)，POST測(cè)試通過(guò)后基本能保證各硬件設(shè)備的正常工作，從而使得系統(tǒng)正常運(yùn)行。如圖5所示。

對(duì)于低功耗平臺(tái)來(lái)說(shuō)，性能已經(jīng)不是衡量的唯一標(biāo)準(zhǔn)，甚至不是最重要的標(biāo)準(zhǔn)，而低功耗和低發(fā)熱量才是最大亮點(diǎn)。本系統(tǒng)在沒(méi)有散熱片的情況下不但完成了所有的調(diào)試和測(cè)試，而且還保持了非常低的溫度。實(shí)測(cè)系統(tǒng)板在帶固態(tài)硬盤不接屏、運(yùn)行WindowsXP操作系統(tǒng)時(shí)，平均功耗為5.96 W，待機(jī)為5.6 W。帶屏測(cè)時(shí)，平均功耗為9.39 W，待機(jī)為6.39 W。目前市面上普通的2.8 Ah的3節(jié)鋰離子電池，正常使用時(shí)可以續(xù)航4 h以上。整機(jī)體積較小，實(shí)際尺寸為10 cm×6 cm。

表1 性能對(duì)比表

整機(jī)測(cè)試中，系統(tǒng)可以在WindowsXP操作平臺(tái)上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 3DMark等測(cè)試軟件超過(guò)24 h，完全能滿足特定的低功耗工業(yè)用途。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用到客戶的便攜式移動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)了軍方組織的高低溫、淋雨、振動(dòng)、跌落及沖擊試驗(yàn)，穩(wěn)定性符合要求。性能也達(dá)到目前相似商用平臺(tái)的水平,表1為采用EVEREST v5.50.2100軟件常溫下進(jìn)行的測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)比臺(tái)灣某專業(yè)公司的商用平臺(tái)，本主板在浮點(diǎn)運(yùn)算、CPU性能、內(nèi)存讀寫等方面的測(cè)試數(shù)據(jù)均與之不相上下，達(dá)到了原定各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

[1]Intel?Centrino?AtomTMProcessor Technology Design Guide.March 2009,Revision 2.1.

[2]External Design Specification(EDS)System Controller Hub(Intel SCH)Small Form Factor.February 2009,Revision 2.1.

[3]Intel?Low Pin Count(LPC)Interface Specification,August 2002,Revision 1.1.

[4]Intel?AtomTMProcessor and Intel?System Controller Hub US15W Layout Checklist,June 2008 Revision 2.1.

[5]Menlow Platform Crown Beach Customer Enabling Board Schematics.November 2007,Revision 1.5.

[6]韓山秀.BIOS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2005,22(11):1132,115.