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

王浩宇

（四川省綿陽西南自動化研究所， 四川 綿陽 621000）

0 引言

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

X86 架構(gòu)處理器以其強大的性能、友好的人機交互、良好的軟硬件生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢被廣泛地應用于個人計算機、工業(yè)控制、黨政辦公系統(tǒng)、軍用計算機等領(lǐng)域。

隨著我國的快速崛起，國際形勢也隨之變化，而我國對國外以處理器為代表的集成電路的高度依賴， 導致在該領(lǐng)域有隨時被“卡脖子”的可能，嚴重威脅到國家的安全戰(zhàn)略。

目前國內(nèi)通過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。 從而實現(xiàn)X86架構(gòu)處理器國產(chǎn)化。

本文對基于兆芯X86 處理器并搭載外圍國產(chǎn)化電路實現(xiàn)全國產(chǎn)化的一款CPCI 工控主板實現(xiàn)方案進行介紹。

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， 經(jīng)過4 年的積累， 產(chǎn)品迭代， 最新處理器ZX-E 系列已可對標7 代I5 桌面版。

兆芯處理器廣泛地應用于安可系統(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 均能對兆芯處理器進行BIOS 支持。

目前兆芯處理器分為開先及開勝兩條產(chǎn)品線。 開先應用于PC 機、筆記本、工業(yè)控制及嵌入式等領(lǐng)域，開勝主要應用于服務(wù)器、存儲等領(lǐng)域。 考慮到本主板的應用方向選擇了開先處理器。 開先處理器包括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 主板詳細設(shè)計

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展出以太網(wǎng)接口、串口、USB 接口、VGA 顯示等，實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互及人際交互等功能， 通過PCIE to PCI 橋擴展出一路PCI 總線實現(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

兆芯平臺的電源設(shè)計主要包含兩個方面， 第一是時序設(shè)計、第二是CPU 核電源設(shè)計。 下面分別對上述兩點進行說明。

2.1.1電源時序設(shè)計

本設(shè)計中有嚴格時序要求的是處理器C4701 及橋片ZX-100S。 其中處理器僅3 路電源VCC、VCCA 及VCCP，上電時序要求為VCCA 與VCCP 同時上電，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，上電時序較為復雜，其時序如圖2 所示。

圖2 ZX-100S 上電時序圖

2.1.2 CPU核電源設(shè)計

本文設(shè)計一片國產(chǎn)PWM 信號調(diào)試器PT9528 替換ISL6262。 PT9528 與ISL6262 指標一致， 封裝及信號定義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

ZX-100S 集成兩個64bit DDR3 控制器，最高帶寬可達1600MT/s。 本文通過其中一路通道擴展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)計中較為重要的是時序控制及阻抗控制。 其約束條件如下：

表1

2.3 PCIE 接口設(shè)計

ZX-100S 集成了19 條高速收發(fā)LAN，最高可配置為6 個PCIE 端口。 該配置在BIOS 中實現(xiàn)。 本文中配置出3路X1 PCIE 接口加1 路X2 PCIE 接口擴展出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 實現(xiàn)PCI 總線的擴展。 由于SM8112 僅支持4 路仲裁信號，擴展出7路標準PCI 外設(shè)則需要增加仲裁信號。 增加仲裁信號有兩種方式，第一是通過CPLD 實現(xiàn)外部仲裁器，第二是使用一片PCI TO PCI 橋片SM2050 實現(xiàn)仲裁信號的擴展。本文采用CPLD 實現(xiàn)外部仲裁器的方式擴展仲裁信號。

以太網(wǎng)控制器選擇JEM82573。

2.4 串口設(shè)計

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 啟動流程介紹

BIOS 在X86 體系中作為軟硬件連接的橋梁，其地位無可替代。 圖4 是基于UEFI 協(xié)議的BIOS啟動流程。 UEFI 架構(gòu)的平臺開機由POWERON 開始經(jīng)歷SEC、PEI、DXE、BDS、OS Loader 以及RUNTIME 五個階段。

圖4 BIOS 啟動流程圖

SEC 階段：平臺開機后即進入SEC Phase，此階段完成從實模式到保護模式的轉(zhuǎn)換，完成內(nèi)存的初始化，為后續(xù)C 代碼的運行提供環(huán)境。

PEI 階段：PEI Phase 會找到BIOS 中所有的PEIM 并根據(jù)dependency 來安排調(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HobList 傳輸給DXE Phase。 最后調(diào)用DxeIpl 進入DXE Phase。

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

BDS 階段：BDS Phase，即啟動設(shè)備選擇階段，此階段會初始化好控制臺設(shè)備，并且裝載所有Driver，并初始化好啟動順序，并選擇默認啟動項進行啟動。

OSLoader： 系統(tǒng)裝載器， 主要任務(wù)是執(zhí)行一個Exit-BootServices（）的服務(wù)，來結(jié)束BDS Phase，并把系統(tǒng)控制權(quán)交給OS， 此后BootServices 將無效， 只有RuntimeServices 可以使用。

Runtime Phase：OS 掌控整個系統(tǒng)， 此時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

本文中提出一種基于兆芯公司X86 處理器的全國產(chǎn)化CPCI 主板解決方案。 可在工控、軍用嵌入式計算機實現(xiàn)對基于INTEL 處理器的CPCI 主板實現(xiàn)軟硬件無縫、快速替代。 消除“卡脖子”戰(zhàn)略安全隱患。