基于龍芯2F的國產處理器平臺在路由器中的設計實現

劉素桃，高 飛

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

基于龍芯2F的國產處理器平臺在路由器中的設計實現

劉素桃，高 飛

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

高性能處理器（CPU）作為路由器設備的核心部件之一，主要用于實現路由器設備的控制及協議處理功能。對核心部件CPU采用了國產的龍芯2F處理器及與之相適配的中標麒麟操作系統，構建了國產處理器平臺，應用到路由器設備中，解決了長期以來路由器設備對國外處理器的依賴，提高了路由器設備的安全可靠性，實現了路由器設備在硬件、軟件的自主可控。對國產處理器平臺進行了簡要介紹，并結合實例驗證了國產處理器平臺在路由器設備中的設計方案正確可行，能夠滿足路由器的需要，可以進行推廣應用。

龍芯2F處理器；Linux；公共嵌入式平臺；CPU

0 引言

近年來，美國斯諾登爆料的涉及安全的各種事件讓各國充分意識到，研發自主知識產權的設備極為迫切，而路由器設備是信息化建設中的重要設備之一，其核心部件CPU采用國產處理器平臺可以解決諸多安全隱患問題［1］。

隨著近些年我國自主化技術的積累與推進，國內的幾大廠商相繼研發出了自主的CPU，并已在計算機平臺得到了成功應用［2］，這為路由器設備選用國產化CPU提供了可供選擇的方案與契機。然而市場上國產化的CPU目前主要用于計算機平臺［3］，在路由器設備中還沒有成功的方案可以借鑒，需要創新地設計一種適合路由器設備的國產處理器平臺。

高性能的CPU主要用于路由器設備的控制及協議處理［4］。龍芯中科公司的龍芯2F芯片，具有低功耗、高可靠性的特點，適合應用到路由器設備中。結合路由器設備的應用，對龍芯2F處理器在性能、環境適應性及可靠性方面進行測試驗證。

1 國產龍芯處理器技術

1.1 龍芯2F處理器簡介

龍芯2F處理器是一款中國科學院計算技術研究所研制的、內部集成了龍芯64位CPU核，兼容MIPS64指令系統的高性能低功耗處理器芯片，支持軟件動態調節處理器工作頻率，操作系統利用這個特性可根據負載情況改變處理器工作頻率以達到降低功耗的目的。龍芯2F采用先進的四發射超流水線結構，實現了轉移猜測、寄存器重命名、動態調度以及非阻塞的高速緩存訪問等亂序執行技術，片內包含64 KB一級指令高速緩存、64 KB一級數據高速緩存和512 KB二級高速緩存［5］。

龍芯2F集成了64位DDR2內存控制器、PCI／PCI-X控制器、Local-Bus總線接口、中斷控制器和視頻加速單元。系統擴展通過標準的PCI／PCI-X總線進行，既能作為PCI／PCI-X總線的主控制器，也能作為PCI／PCI-X的設備。

龍芯2F內部的互連核心是一個128位寬度的2x2 AXI交叉開關。CPU核和PCI／PCI-X從設備占用兩個主設備端口，DDR2控制器占用一個從設備端口，PCI／PCI-X主設備及其他模塊共享另一個從設備端口。

龍芯2F的典型工作頻率為800 MHz，在該頻率下的實測功耗為3 W左右，適用于低功耗、高性能需求的嵌入式應用領域。

1.2 龍芯處理器現狀及應用

中科院計算技術研究所研制的龍芯系列處理器，已經在技術及穩定性方面逐漸成熟。目前龍芯系列處理器，已經成功應用于計算機平臺［6］，作為加固計算機平臺已成功應用于控制領域［7］。龍芯2F的工作溫度范圍可達－40℃～55℃，滿足工業級的應用需求，能夠應用到桌面及嵌入式控制領域，能夠滿足路由器在惡劣環境下應用的溫度范圍。

2 設計實現方案

2.1 硬件設計

國產處理器平臺的硬件組成如圖1所示，它主要由龍芯2F處理器模塊、BIOS引導程序存儲器、數據存儲器DDR2 SDRAM、南橋、調試串口、調試網口、功能擴展模塊組成。該硬件平臺的實現目標是構建嵌入式的自主可控的高性能處理器公共平臺，并能實現功能的擴展。

圖1 國產處理器平臺硬件組成框圖

其中電源模塊主要用于提供嵌入式高性能處理器平臺所需要的電源，平臺采用5V供電，經過DC／DC變化生成龍芯2F及相關外圍芯片所需要的內核電壓及IO電壓；

復位控制是按照龍芯2F的上電復位要求進行的控制設計，時鐘模塊提供龍芯2F工作需要的時鐘信號；

數據存儲器設計采用4片MT47H128M16的DDR2 SDRAM顆粒，提供容量為1 GB的數據存儲；

南橋主要提供調試串口、IDE總線及USB總線，并連接到功能擴展模塊實現功能的擴展。

龍芯2F通過PCI總線掛接一片Intel的以太網控制器82540實現調試以太網口的功能。

功能擴展設計是采用SAMTEC公司的四個高速高密度連接器，連接器的可靠性能夠滿足路由器設備的可靠性要求；信號定義在ETX3.02規范［8］的基礎上進行了改進，增加了LOCAL總線的定義，去掉了鍵盤、鼠標等無用信號，從而適合路由器設備及嵌入式應用；把在路由器中常用的LOCAL并行總線、PCI總線及IDE總線、USB總線引接到板間互聯連接器上，方便在路由器設備應用中的功能擴展，最終作為一個公共的嵌入式高性能處理器平臺應用到多個項目的設計中，滿足不同的應用需求。

路由器設備需要使用路由交換芯片［9］，如圖1所示，通過功能擴展模塊的PCI總線連接到路由交換芯片，同時創新地利用了龍芯2F提供的2個片選信號，滿足了路由器設備的應用。

2.2 Local總線設計

龍芯2F的LocalIO控制器提供了訪問外設的接口，主要連接用于系統啟動的BIOS。龍芯2F對外提供兩個片選，即LIO_ROMCS、LIO_CS，具有可配置的數據位寬和訪問延遲，可以根據外掛接的設備接口進行時序的簡單控制。圖2是龍芯2F的LOCAL總線設計功能框圖，龍芯2F通過CPLD進行地址譯碼，對外提供CS1和CS2兩個片選信號，其中CS1片選是8位總線接口，CS2片選是16位總線接口，它們的容量都為8 MB，同時將這兩個片選信號連接到功能擴展模塊，用于提供實時時鐘以及其他嵌入式常用的成幀器芯片或控制邏輯的實現，為路由器及嵌入式的應用提供了方便。外部掛接的實時時鐘芯片是DALLAS公司DS1554，它是一款數據總線位寬為8位、地址總線為15位的低速外設，與CS1片選連接；外部掛接的成幀器芯片是一款總線位寬為16位、地址總線為14位的外設，與CS2片選連接，從而合理地利用了龍芯LOCAL總線的能力，若其他外設需要片選，還可以進一步進行擴展。

圖2 龍芯2F的LOCAL總線設計

BIOS引導主要用于存儲LINUX內核啟動及配置需要的PMON固件。通過龍芯2F的片選信號LIO_ROMCS連接，設計選用一款容量為512KB的SST39VF040的FLASH芯片

2.3 軟件設計

路由器設備除了核心CPU采用國產化處理器外，與之適配的固件、操作系統軟件以及應用軟件都實現了國產化。

固件軟件選用基于MIPS架構的龍芯2F的PMON程序，針對本國產處理器平臺進行了修改，滿足路由器的需要；運行于龍芯2F之上的操作系統采用中標麒麟LINUX定制系統軟件。

路由器設備的軟件框架如圖3所示，主要包括BIOS引導程序、中標麒麟LINUX操作系統以及路由器設備應用軟件，應用軟件主要包括鏈路控制軟件、TCP／IP協議軟件、單播路由軟件、組播路由軟件、MPLS協議軟件、流量工程軟件以及安全認證軟件等。

圖3 路由器設備的軟件框架

其中鏈路控制軟件由PPP協議軟件、交換芯片控制軟件、以太網數據處理軟件組成，主要實現鏈路狀態檢測、交換芯片控制、數據處理及協議認證的功能。

維護管理軟件主要實現網絡代理、設備維護管理、在線升級等功能，實現對各個業務單元板的的輪詢、工作模式的控制以及收集各單元板的狀態并存于數據庫中。

協議及協議管理軟件主要完成各種路由協議的協議交互，定期發送協議控制報文進行協議溝通，并向業務板發送相關協議配置消息進行接口地址的配置等，數據庫軟件主要用于存放對各個業務板庫文件的存儲及數據的搜集等功能；網絡管理軟件主要用于對網絡的規劃及實現互聯互通的配置等功能。

安全認證軟件主要由設備鑒權認證軟件、路由協議認證軟件和用戶認證軟件組成。

下面重點介紹一下國產處理器平臺BIOS的開發應用。

2.4 BIOS的開發及應用

國產處理器平臺的BIOS設計采用的是PMON，實現操作系統的BootLoader的功能。PMON是MIPS架構CPU最常用的BIOS，功能十分強大［10］，占用資源少，僅需要一個串口，512 KB ROM，128 KB RAM就能實現PMON的全部特性，它不僅支持BIOS啟動配置、內核加載，還支持程序調試、內存寄存器顯示和設置、內存反匯編等。本設計中支持從CF卡及TFTP來引導操作系統，PMON程序初始化流程圖如圖4所示［11］。

圖4 PMON程序初始化流程圖

3 應用實例

3.1 性能測試實例1

搭建的國產處理器平臺數據處理性能測試框圖如圖5所示，使用思博倫的TestCenter測試儀從以太網接口發送IPv4、目的地址為2.0.0.9的數據報文，幀長為1 500字節，該數據報文直接依靠CPU進行轉發到以太網接口，在發送帶寬為60%時不丟包。

圖5 國產處理器平臺數據處理性能測試

3.2 性能測試實例2

利用SFTP服務器進行500 MB大小的文件WindRiver.rar的下載，數據處理速度可達7 362 KB／s，CPU處理數據的性能如下所示：

4 高低溫環境適應性試驗和可靠性試驗

為了驗證國產化處理器龍芯2F的環境適應能力，對路由器設備作了環境適應性高低溫［12］試驗，測試結果如表1所示。

此外，還對路由器設備進行每天8小時，連續48小時的可靠性試驗，路由器設備能夠正常穩定工作，驗證了其長期穩定工作的能力。

表1 路由器設備高低溫測試

5 結束語

主要對基于國產的龍芯2F處理器搭建的公共嵌入式平臺進行了較為詳細的介紹，并結合路由器設備的應用特點，重點介紹了LOCAL總線的應用設計、PMON的應用，結合應用實例測試，驗證了國產化龍芯2F在路由器設備應用中能夠滿足性能指標，經過高低溫試驗、可靠性考核，驗證了龍芯2F能夠滿足路由器設備的應用需求，為其他設備的工程應用提供了成功的借鑒。

［1］劉冀川，李冬梅.萬兆以太網技術的研究與實現［J］.無線電工程，2012，42（12）：7－9，45.

［2］芮 雪，王亮亮，楊 琴.國產處理器研究與發展現狀綜述［J］.現代計算機（專業版），2014（8）：15－19.

［3］黃天章.軍事認知通信網絡研究［J］.無線電通信技術，2011，37（6）：14－16.

［4］楊邦甲.高性能路由器的功能與基本結構［J］.電腦知識與技術，2009，5（12）：3118－3119.

［5］李士剛，黃 威，張 鵬.龍芯處理器性能測試方法研究［J］.現代電子技術，2013，36（23）：88－90.

［6］滑 偉.一種PCI總線接口的數據接收卡設計［J］.無線電通信技術，2013，39（4）：53－55，92.

［7］張 軍，蔡 曄.基于龍芯2F的車載和便攜設備系統設計［J］.微計算機信息，2009，25（5）：59－60.

［8］徐 宏，方 方，胡曉龍.基于ETX載板測控平臺的研制［J］.核電子學與探測技術，2013，33（9）：1139－1143.

［9］胡龍斌.下一代高性能路由器關鍵技術研究［J］.廣東科技，2014（16）：188－189.

［10］李 雷，鄭為民，劉金剛.基于PMON的龍芯BIOS初始化及VGA BIOS模擬器［J］.計算機工程，2009（1）：204－206.

［11］張菊莉，張君毅，孟小鎖.基于龍芯2F架構的PMON分析與優化［J］.現代電子技術，2011，34（2）：19－21.

［12］邢占春，曹芳菊，黃進燕，等.基于CPCI總線的多卡實現32路采集平臺設計［J］.無線電工程，2014，44（4）：77－80.

Design and Implementation of Domestic-processor Platform Based on Loongson 2F in Routers

LIU Su-tao，GAO Fei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The high performance processor（CPU）is one of the critical part of router.It is mainly used to realize the control and protocol disposer.In our router，a domestic Loongson 2F processor is adopted，and together with Kylin embedded Linux system，to build a national processor platform used in router device.This platform can facilitate the problem of router device dependence on foreign CPU technology for a long time.Moreover，it also improves the device safety and reliability.Finally，it promotes the independency and control-lability of the critical hardware and software in router.This national developed processor is simply introduced.And it is proved that the project of the native Loongson 2F used in the router is right and feasible，satisfying the router need，and can be popularized.

Loongson 2F；Linux；embedded platform；central processing unit

TN915.142

A

1003－3114（2015）06－84－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.22

劉素桃，高 飛.基于龍芯2F的國產處理器平臺在路由器中的設計實現［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：84－87.

2015－08－10

國家部委基金資助項目

劉素桃（1971—）女，高級工程師，主要研究方向：通信網絡設備。高 飛（1985—）男，工程師，主要研究方向：通信網絡設備。