一種基于VPX架構(gòu)和PSOC芯片的高速板卡設(shè)計(jì)

陳坤

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和功能應(yīng)用的不斷增加，系統(tǒng)設(shè)備已逐漸往小型化、模塊化發(fā)展，與之而來(lái)的就是數(shù)據(jù)量的快速增加，在技術(shù)層面就要求系統(tǒng)設(shè)備具有更高的集成度、更大的總線(xiàn)帶寬和更強(qiáng)的運(yùn)算處理能力。Zynq7000系列PSOC芯片內(nèi)部集成ARM雙核處理系統(tǒng)和高性能FPGA，專(zhuān)為需求高處理性能的嵌入式系統(tǒng)而構(gòu)建，目前已較多使用在工業(yè)自動(dòng)化、輔助駕駛、航空航天等行業(yè)。VPX系統(tǒng)架構(gòu)因具有模塊化、通用化、高可靠性和高帶寬等特點(diǎn)，特別適合在工業(yè)、航空航天等特殊環(huán)境中適用。本文將二者結(jié)合，提出了一種基于VPX架構(gòu)和PSOC芯片的高速板卡設(shè)計(jì)方案，可滿(mǎn)足多種功能VPX板卡的基本開(kāi)發(fā)需求。

1 板卡總體設(shè)計(jì)

作為新一代的工業(yè)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，VPX在具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷抗震優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，引入了Rapid IO、PCIE、高速以太網(wǎng)等高速總線(xiàn)，解決了帶寬和高速互聯(lián)問(wèn)題，使得系統(tǒng)內(nèi)部組件間的通信速率大大增加。

按照VPX標(biāo)準(zhǔn)將板卡控制功能和管理板卡功能分離，本文設(shè)計(jì)的高速板卡可分為主控模塊、智能平臺(tái)管理模塊（IPMC）、電源模塊以及用戶(hù)功能模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1以3U板卡為例，其中，主控模塊可與用戶(hù)其他功能模塊配合，根據(jù)需求完成協(xié)議處理、算法實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)的時(shí)序和邏輯控制功能，IPMC模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡的管理功能，可用于整板電壓、電流、溫度等健康信息的監(jiān)控，以及板卡的上下電控制。

圖1 板卡功能系統(tǒng)框圖

2 主控模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選型

作為可擴(kuò)展處理平臺(tái)，Zynq7000系列PSOC芯片實(shí)現(xiàn)了在單一芯片上集成ARM雙核處理器與FPGA，不僅具有ASIC等級(jí)的效能與功耗，更具備FPGA的靈活性和處理器的可編程等特點(diǎn)，并且相對(duì)于“嵌入式處理器+FPGA”的通常方案，Zynq7000在處理器和FPGA之間還采用了高帶寬、低延時(shí)的AXI4連接總線(xiàn)，讓二者效能得到充分的發(fā)揮，而不會(huì)有額外的接口開(kāi)銷(xiāo)，非常適合小型化、高集成度和高性能的使用場(chǎng)景。

在Zynq7000的芯片系列中，7Z020以下芯片主要針對(duì)消費(fèi)類(lèi)或輔助駕駛等低端應(yīng)用，7Z030以上針對(duì)工業(yè)、通訊、國(guó)防、廣播級(jí)等復(fù)雜應(yīng)用等。本文選擇中高端芯片XC7Z035作為主控核心，該芯片可分為PS（Processor System）和PL（Programmable Logic）兩部分，其中PS側(cè)包含主頻高達(dá)1G的雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器、片上兩級(jí)緩存器、外部存儲(chǔ)器接口以及各種片內(nèi)外設(shè)，PL側(cè)是基于Xilinx Kintex-7 FPGA的可編程邏輯，包含275K個(gè)邏輯單元、17萬(wàn)個(gè)查找表LUT、900個(gè)DSP Slices，8對(duì)高速串行GTX接口，2個(gè)12Bit、1MSPS的ADC以及眾多的可配置輸入輸出I/O，廣泛支持LVDS、LVCMOS等電平標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 主控芯片啟動(dòng)模式設(shè)計(jì)

對(duì)7Z035進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要通過(guò)芯片規(guī)格書(shū)中的管腳復(fù)用表或者借助Vivado開(kāi)發(fā)軟件完成PS側(cè)MIO管腳的復(fù)用配置，根據(jù)通常的功能和接口需求，設(shè)計(jì)的管腳復(fù)用分配表如表1所示。

表1 MIO管腳復(fù)用分配表

其中，啟動(dòng)模式通過(guò)配置MIO2-MIO8管腳的上下拉狀態(tài)來(lái)選定，本文采用常用的QSPI Flash啟動(dòng)，并預(yù)留SD卡啟動(dòng)模式，便于程序調(diào)試使用，根據(jù)規(guī)格書(shū)中的啟動(dòng)模式配置表，QSPI啟動(dòng)MIO[5:3]=100。MIO7和MIO8是MIO bank電壓配置位，bank500連接QSPI Flash和EMMC芯片，bank501連接以太網(wǎng)PHY芯片并引出UART串口，上述芯片都支持LVCOMS 3.3V電平，所以bank500和bank501都配置為3.3V電壓。配置管腳如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)模式管腳配置圖

2.3 外圍芯片選型

（1）QSPI Flash和EMMC

QSPI Flash主要存儲(chǔ)FSBL文件、裸機(jī)程序或者Uboot文件，本文選擇SPANSION的QSPI Flash S25FL256S，32MB容量、工作電壓2.7-3.6V，支持x1、x2和x4工作模式。EMMC芯片主要作為QSPI Flash的補(bǔ)充，存儲(chǔ)較大的文件，比如文件系統(tǒng)和用戶(hù)數(shù)據(jù)文件，具有體積小、容量大、讀寫(xiě)速度快和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇三星的8GB EMMC芯片KLM861WEPD-B031，工作電壓為2.7-3.6V，支持工業(yè)級(jí)-40℃低溫使用場(chǎng)景。

（2）DDR3

DDR3芯片選用了兩片鎂光的MT41K256M16RE-125，單片16位512MB容量，2片組合數(shù)據(jù)位寬32位，容量1GB，最高運(yùn)行速度可達(dá)533MHz。兩片DDR3芯片在PCB設(shè)計(jì)上采用fly-by拓?fù)淠Ｊ剑⒃诘刂肪€(xiàn)和控制線(xiàn)上加了VTT端接阻抗匹配，來(lái)確保信號(hào)完整性。

（3）以太網(wǎng)芯片

Zynq7000系列芯片包含2個(gè)10/100/1000M以太網(wǎng)MAC控制器，支持GMII、SGMII和RGMII等多種PHY芯片接口。根據(jù)VPX系統(tǒng)多有內(nèi)外網(wǎng)的需求，本文選用了兩片MARVELL的PHY芯片88E1512設(shè)計(jì)了兩條以太網(wǎng)鏈路。88E1512芯片支持1.8V、2.5V和3.3V的LVCMOS I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，支持單一3.3V電源供電，并支持RGMII接口到電口、光口以及SGMII接口的直接轉(zhuǎn)換，能較好滿(mǎn)足VPX系統(tǒng)對(duì)不同以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的需求。88E1512芯片的工作模式、PHY芯片地址以及RGMII接口電平可通過(guò)上電配置管腳進(jìn)行設(shè)置。兩片88E1512芯片的RGMII接口電平都設(shè)置為3.3V，與7Z035的Bank501電壓3.3V匹配，芯片地址可分別設(shè)置為00001b和00011b，7Z035通過(guò)SMI接口分別進(jìn)行尋址訪(fǎng)問(wèn)。

3 電源模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)7Z035芯片的電源需求，VPX板卡一般會(huì)有1.0V、1.2V、1.8V、1.5V、2.5V、3.3V和5V等常見(jiàn)的電源。為減少電源部分所占的PCB空間，提高板卡集成度，再結(jié)合7Z035芯片各路最大電流值，本文選取兩片凌力而特的LTM4644作為板卡的電源主芯片。LTM4644是塑封一體集成式微型非隔離降壓型DCDC轉(zhuǎn)換器，基于同步整流Buck拓?fù)湓O(shè)計(jì)，最大四路4A或單路16A電流，可并聯(lián)配置多種輸出陣列，有較高的電源轉(zhuǎn)換效率，并且體積僅有10×16×6.5mm3，集成度高，外圍僅需一個(gè)調(diào)壓電阻、幾個(gè)輸入輸出瓷片電容，即可快速完成多路電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鑒于7Z035芯片1.0V核電壓在部分復(fù)雜算法應(yīng)用中，瞬態(tài)電流較大，本文采取并聯(lián)2路LTM4644輸出的方式，給1.0V提供8A的電源供應(yīng)。圖3為核電壓1.0V的電源設(shè)計(jì)。

圖3 1.0V電源設(shè)計(jì)

按照7Z035芯片的電源上電時(shí)序要求，上電次序?yàn)?.0V->1.8V、1.2V->1.5V->3.3V、VCCIO，本文利用LTM4644芯片的外部使能管腳和PGOOD管腳，設(shè)計(jì)了電源上電時(shí)序，如圖4所示，經(jīng)實(shí)測(cè)各路電源上電時(shí)序滿(mǎn)足芯片要求。

圖4 上電時(shí)序設(shè)計(jì)

4 IPMC模塊設(shè)計(jì)

IPMC模塊作為板卡的智能平臺(tái)管理控制器，主要配合VPX機(jī)箱管理控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各板卡的統(tǒng)一管理，包括板卡健康信息監(jiān)控、板卡信息讀取、供電和復(fù)位控制等。本文選取NXP的STM32F103RET6作為IPMC模塊的控制核心，通過(guò)I2C1和I2C2接口分別對(duì)應(yīng)為VITA46.11協(xié)議中的IPMB-A和IPMB-B總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)箱管理控制器的信息交互，通過(guò)電流/功率監(jiān)視芯片INA226和溫度監(jiān)控芯片MAX31723分別完成對(duì)12V電壓電流和板卡溫度的監(jiān)控，原理框圖如圖5所示。

圖5 IPMC模塊設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于VPX架構(gòu)和PSOC芯片的高速板卡設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)和IPMC模塊設(shè)計(jì)，具有高集成度、高性能和高帶寬等特點(diǎn)，目前已被多個(gè)課題所采用，驗(yàn)證了該方案的可行性，可為板卡類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒參考。