基于ATOM處理器的工業控制系統實現

阮 翔,周明政

(中國電子科技集團第52研究所，浙江 杭州 310013)

ATOM處理器采用突破性全新設計的45納米工藝，將4 700萬個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互聯網設備、低功耗移動互聯網計算機、基礎互聯網臺式機，以及對功耗要求苛刻的工業應用場合[1]。

本文針對工業控制系統小體積、低功耗的應用需求，利用Intel最新的低功耗移動ATOM處理器特點，提出一整套工業控制系統設計方案。

1 平臺架構

Intel定義的“迅馳Atom處理器技術”整套平臺包括Intel Atom處理器 （Silverthorne和 Diamondville）、低功耗“伴侶芯片”（橋芯片）以及超薄超輕的設計。Diamondville與945GSE橋芯片搭配組成Navy Pier平臺。Silverthrone和代號Pouslbo的橋芯片搭配組成Menlow平臺。Navy Pier平臺采用兩塊橋芯片，體積較大，主要適用于消費電子類產品，Menlow平臺中采用集成的橋芯片，整個平臺體積較小，功耗很低，非常適合工業平臺應用，本文采用的是Menlow平臺的實現方案。

Menlow平臺主要由 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IDE PATA 100接口、3個SDIO和MCC存儲卡插槽，內部集成了USB 2.0控制器、內存控制器、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 200 MHz，支持DirectX 9、OpenGL和 3.0+Shaders，同時支持硬件解碼 H.264、MPEG2、MPEG4、WMV9 等[2]。

本設計中采用單通道內存控制器，可以支持DDR2 533和 DDR2-400。通過橋片擴展了網口、LVDS、DVO口，4個USB口，1個PATA和 SATA。音頻為 HD Audio。其他的如RS232、系統燈指示、開關機控制則通過LPC總線擴展實現。系統框圖[5]如圖1所示。

2 系統電源的設計

電源是ATOM系統設計的一個重要環節，難度在于：(1)因為要給多個功能模塊供電，需要采用很多開關電源，對整個系統的EMI電磁干擾影響很大。(2)要充分考慮電源的轉換效率。ATOM處理器主要用在便攜式的應用場合，在選用器件時，不但要保證功率足夠，還要經濟高效。電池的供電時間，也是整個系統性能考核的重要一環。電源轉換時功率損失所產生的熱量也會造成系統溫度上升，導致系統散熱成本的增加。

在本設計中，利用LT4100實現電池的充放電管理。VIN_3.3 V為常備電壓，只要外接電源或內部電池有電，芯片7803就工作。該芯片主要是負責給EC供電。EC一旦檢測到開機按鍵信號，就產生開機脈沖POWEREQ#，LT3780開始工作，電源管理電路開始運行，后續電路依次使能。設計中選用SC454為CPU內核供電芯片，該片是單相高性能PWM控制器,專用于增強型IMVP-6和IMVP6+TM處理器。片內支持所有IMVP-6/6+的需求，如有效電壓步進、輸出電壓動態可調，深睡眠設置等。SC454使用了遲滯控制技術，比傳統的PWM控制器有著更快的反應速度。刪除了敏感電阻，減少了功耗，簡化了PCB布板。集成智能化驅動技術通過軟開關控制上下兩側的MOS管，有效減少了過沖、振鈴和 EMI。該芯片提供系統時鐘使能腳CLKEN#和過熱指示信號VRTT#。在電源輸出穩定后，CLKEN#打開系統時鐘芯片；過熱時，VRTT#提供信號給橋片，關閉系統。SC454根據處理器負載情況調節核心電壓，負載上升時，逐步下降電壓，從而能夠使高負載狀態下的CPU耗電量降低。從而確保系統有比較低的TDP、平均與主動耗電量。

選用 SC486產生DDR內存的 1.8 V電源，SC415產生橋片的內核電壓+VCCP和輔助I/O電壓+V1.5S，SC454產生+VCC_CORE。在實際應用過程中，上電次序很重要，一般情況下，先開SC486，輸出電壓穩定后，再開SC415，+VCCP和+V 1.5S穩定后才使能 SC454，輸出+VCC_CORE。關機次序則相反。本項目采用CPLD實現了電源的開關機和低功耗處理，包括進操作系統后的關機、待機、休眠以及重啟功能。如圖2所示。

為了提高系統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數量的電源塊。每個電源塊都應保證足夠的面積以負荷工作電流，而且擁有各自獨立的返回地線以有效避免不同電源之間的干擾。其次還應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 時鐘拓撲

系統所需要的各種時鐘信號由時鐘發生器ICS9UMS9001產生，特點如下:專為超級移動PC（UMPC）設計的時鐘芯片，芯片內部最大限度抑制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。本設計中，將模式選擇輸入管腳和SC454的CLKEN#連接，確保在CPU內核上電時，時鐘發生器工作，在休眠、待機等情況時，同步進入低功耗模式。

4 系統音頻

Pouslbo內部集成了HD Audio數字音頻控制器。與傳統的AC’97相比，HD Audio具有數據傳輸帶寬寬、音頻回放精度高、支持多聲道陣列麥克風音頻輸入、CPU的占用率更低和底層驅動程序可以通用等特點。在本設計中，在外部擴展了一片符合 HD Audio規范的 CODEC編解碼芯片 ALC888，即可實現通用音頻功能，音頻放大器采用 SM2303[5]。ALC888是一個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,幾乎可以同時支持7.1音頻回環、2路立體聲輸出。該芯片有2個SENSE信號線，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數字音頻控制器通過專門的“Azalia Link”總線與 ALC888通信。具體信號線分別是位時鐘 (Bit Clock)、串行數據輸出(Serial DatOut)、串行數據輸入(Serial Data In)、同步信號(Sync)和復位信號 (Reset#)。位時鐘頻率為 24 MHz，由Pouslbo產生。如圖3所示。

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

5 系統視頻 LVDS、DVO

Pouslbo內部集成了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帶來額外負載的同時播放 VC1(WMV9)、MPEG-2、MPEG-4視頻。Pouslbo內部集成了 LVDS、SDVO接口，可以直接引出。本設計中液晶顯示屏選用Philips的LP121×04，該屏 12.1英寸，1024×768像素，具有 LVDS接口，使用很方便。根據實際應用的需求，擴展了一路DVO的接口。

6 外部接口

網絡控制芯片選用了Realtek瑞昱公司64Pin LQFP封裝的 RTL8111，該片基于 PCI-Express接口，真正解決了目前標準PCI接口對于千兆網卡帶寬不足的問題。集成了10/100/1000轉換器，支持遠程喚醒和網絡喚醒，兼容802.3系列協議，支持PCIE 1.1協議。該片嵌入了帶有自適應均衡器的PCIE物理層，PCB布線長度可以達到40英寸，設計使用很方便。

Pouslbo只支持PATA口。本設計中采用JM20330實現SATA/PATA轉換，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（應用層），符合串行ATA1.0a的協議，支持1.5 GHz的數據速率，主從模式可以通過跳線設置，支持PIO模式、UDMA模式[5]。

Pouslbo內部集成了USB接口，通過濾波器直接引出到端口。本設計中，引出了4個USB外部接口，如圖4所示。

7 LPC總線

Pouslbo內部集成了LPC總線控制器。LPC總線是Intel為了取消慢速的ISA而制定的一個新規格[3]。以前在ISA上跑的硬件，例如鍵盤、鼠標、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。本設計中，選用的LPC外部嵌入式芯片為IT8513，主要負責外接鍵盤、電池電量、系統指示燈、開關機操作并通過ADM3202實現電平的轉換，擴展引出兩路串口。系統BIOS芯片也掛接在LPC總線上。上電開機后，由橋片提供時鐘，讀BIOS固件內容，引導系統啟動。

系統BIOS采用 Phoenix BIOS 6.0源代碼軟件包，在此基礎上進行二次開發。BIOS按功能可分為四個大的模塊：加電自檢 POST(Power On Self Test)部分、基本的中斷服務例程、系統BIOS設置和引導加載。POST提供了一系列診斷例程來測試系統組件，初始化數據區并報告系統信息[6]。一般說來，POST測試通過后基本能保證各硬件設備的正常工作，從而使得系統正常運行。如圖5所示。

對于低功耗平臺來說，性能已經不是衡量的唯一標準，甚至不是最重要的標準，而低功耗和低發熱量才是最大亮點。本系統在沒有散熱片的情況下不但完成了所有的調試和測試，而且還保持了非常低的溫度。實測系統板在帶固態硬盤不接屏、運行WindowsXP操作系統時，平均功耗為5.96 W，待機為5.6 W。帶屏測時，平均功耗為9.39 W，待機為6.39 W。目前市面上普通的2.8 Ah的3節鋰離子電池，正常使用時可以續航4 h以上。整機體積較小，實際尺寸為10 cm×6 cm。

表1 性能對比表

整機測試中，系統可以在WindowsXP操作平臺上連續穩定運行 3DMark等測試軟件超過24 h，完全能滿足特定的低功耗工業用途。本系統已成功應用到客戶的便攜式移動計算機系統中，通過了軍方組織的高低溫、淋雨、振動、跌落及沖擊試驗，穩定性符合要求。性能也達到目前相似商用平臺的水平,表1為采用EVEREST v5.50.2100軟件常溫下進行的測試數據。對比臺灣某專業公司的商用平臺，本主板在浮點運算、CPU性能、內存讀寫等方面的測試數據均與之不相上下，達到了原定各項性能指標的設計要求。

[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的設計與實現[J].微電子學與計算機,2005,22(11):1132,115.