一種雙X86處理器架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件設(shè)計

郭魯皓

摘 要：為滿足雙處理器、雙操作系統(tǒng)分工協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)處理的需求，選用因特爾公司生產(chǎn)的ATOM系列處理器N2600和橋片NM10，設(shè)計了一種雙X86處理器架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電路，通過NM10的PCIE接口擴展多路以太網(wǎng)口與系統(tǒng)外部進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)雙處理器協(xié)同、分工、同步工作，實現(xiàn)多路同步、高速的數(shù)據(jù)處理與控制功能。

關(guān)鍵詞：X86;雙處理器;N2600;82574控制器;以太網(wǎng);數(shù)據(jù)交換

中圖分類號：TP338.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的性能提出了越來越高的要求，對硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力和設(shè)備之間的通信傳輸交換能力的要求也在逐步提高。設(shè)備可采用雙處理器、雙操作系統(tǒng)，雙系統(tǒng)獨立運行、分工協(xié)同工作以完成不同功能任務(wù)的方式提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能和性能。硬件上設(shè)計2套處理器系統(tǒng)電路，預(yù)留豐富的對外接口;軟件方面采用VxWorks操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時性、可靠性、互聯(lián)性優(yōu)異。雙處理器構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件設(shè)計具有一定的經(jīng)濟性、適用性和擴展性，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價值。

根據(jù)雙處理器、雙操作系統(tǒng)可分工協(xié)同完成數(shù)據(jù)處理、運算控制的使用需求，在一個電路模塊上設(shè)計實現(xiàn)兩套相對獨立的CPU處理電路，兩個CPU之間通過以太網(wǎng)通信，且處理電路對外有多種接口。設(shè)計如圖1所示。

1 芯片選型

1.1 X86處理器選擇

處理器選用Intel低功耗凌動處理器N2600。N2600具有功耗低、雙核4 線程、主頻1.60 GHz、1 MB緩存、2.5 GT/s

總線速度、內(nèi)部集成顯卡等優(yōu)點[1]。該處理器除了支持 Windows XP操作系統(tǒng)外，還支持VxWorks操作系統(tǒng)，配合橋片使用可滿足各種接口擴展需求。

1.2 橋片選擇

橋片選用英特爾Intel CG82NM10 PCH，該橋片支持PCI與4通道PCIE，可配置為1個4x或4個1x PCIE總線，支持8路USB端口[2]。NM10橋片配合Intel N2600處理器完成對外接口和總線的擴展，N2600處理器配合NM10橋片使用，可滿足低功耗需求。

2 電路設(shè)計

2.1 電路組成

系統(tǒng)硬件如圖2所示。系統(tǒng)由三個功能區(qū)電路組成，分別為2個CPU系統(tǒng)電路和電源管理電路。2個CPU系統(tǒng)電路完全相同，包含CPU最小系統(tǒng)和相應(yīng)的外設(shè)接口。CPU最小系統(tǒng)包括N2600處理器、NM10橋片、BIOS FLASH芯片、DDR3外置存儲器和SSD電子盤。該最小系統(tǒng)最多可提供

4條PCIE 1x總線，8個USB，2個SATA，2個顯示口。本設(shè)計中每個最小系統(tǒng)只使用2條PCIE 1x總線，2個USB，1個SATA，1個顯示口。

2.2 網(wǎng)口設(shè)計

設(shè)計多路以太網(wǎng)口用于與數(shù)據(jù)輸入輸出、對外部系統(tǒng)進行控制。N2600處理器無以太網(wǎng)接口，設(shè)計使用NM10的PCIE接口通過以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)網(wǎng)口擴展。以太網(wǎng)控制器采用Intel公司設(shè)計生產(chǎn)的82574千兆位以太網(wǎng)控制器，配合對應(yīng)的變壓器、TVS保護器件實現(xiàn)多路以太網(wǎng)口擴展目的。NM10可提供四組PCIE 1x總線，滿足三片82574的使用需求，每個1x的PCIE接口外接一片82574。

82574支持802.3X流控制規(guī)范、802.1QVLAN規(guī)范與MAC地址過濾;支持MAC自循環(huán)模式;兼容1 Gb/s IEEE 802.3，802.3u，802.3ab規(guī)范;支持IEEE 802.3ab自動協(xié)商機制規(guī)范;支持10/100/1 000 Mb/s全雙工;支持10/100 Mb/s半雙工[3]。

2.3 VGA接口設(shè)計

設(shè)計VGA接口用于軟件開發(fā)調(diào)試。N2600處理器內(nèi)部集成有GPU，GPU的對外顯示接口采用數(shù)字顯示接口DisplayPort。采用DisplayPort接口的顯示器較為少見，選用CH7517芯片將DisplayPort轉(zhuǎn)換成標準VGA模擬顯示器接口[4]，方便連接顯示器。

2.4 USB接口設(shè)計

設(shè)計USB接口用于外接鍵盤。USB接口數(shù)據(jù)線上連接TVS保護器，用于接口過流、過壓、靜電保護。USB接口的5 V電源串接可恢復(fù)保險管，以確保USB口的安全使用。

2.5 串口設(shè)計

設(shè)計RS 232串口用于開發(fā)調(diào)試。RS 232接口由NM10上的LPC總線接口通過IT8515E芯片[5]、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232[6]、TVS保護器實現(xiàn)。

2.6 CPLD控制電路

CPLD控制電路包括CPLD芯片、復(fù)位監(jiān)控芯片等。CPLD選用Xilinx公司設(shè)計生產(chǎn)的XC3S700AN[7]，看門狗由CPLD內(nèi)部邏輯完成。復(fù)位監(jiān)控芯片選用Maxim公司設(shè)計生產(chǎn)的MAX706[8]。CPLD和MAX706配合完成上電控制、復(fù)位控制、電源監(jiān)控、狀態(tài)指示等功能。系統(tǒng)上電后，CPLD首先啟動，MAX706復(fù)位電路提供的復(fù)位信號通過CPLD復(fù)位兩個CPU。復(fù)位結(jié)束后放開復(fù)位信號，CPU啟動。設(shè)計使用復(fù)位按鍵可復(fù)位整個系統(tǒng)。CPU工作時，定時通過GPIO信號送清狗信號給CPLD，當CPU死機后，無清狗信號且達到設(shè)定的時間后，CPLD復(fù)位CPU。

2.7 電源管理電路

電源管理電路實現(xiàn)電源保護、電源監(jiān)控功能，還設(shè)計有防止反接、過壓保護、過流保護及短路保護等功能。設(shè)定過壓閾值點與過流保護點，在過壓、低壓或超過設(shè)定閾值時均會自動保護。

3 操作系統(tǒng)

軟件操作系統(tǒng)為VxWorks。VxWorks 操作系統(tǒng)是Intel旗下美國風河公司（Wind River） 推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、通信、工業(yè)、醫(yī)療、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，VxWorks 操作系統(tǒng)在安全性、互聯(lián)性、可靠性、設(shè)備管理、用戶交互等方面性能優(yōu)異[9]，可以滿足目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用要求。

VxWorks支持在線調(diào)試，網(wǎng)絡(luò)加載;支持標準C庫API;設(shè)計BootLoader分別提供基于網(wǎng)絡(luò)和本地Image文件的加載模式。系統(tǒng)BIOS采用AMIBIOS，電路模塊啟動時，CPU首先啟動標準的AMIBIOS，在設(shè)置界面使用鍵盤操作設(shè)置啟動方式、CPU設(shè)置等。系統(tǒng)設(shè)置成SATA硬盤啟動方式，SATA硬盤設(shè)置為IDE模式。在BIOS狀態(tài)下，內(nèi)存、PCIE設(shè)備進行初始化，鍵盤等USB設(shè)備可以使用。

BIOS啟動后，自動運行Bootrom加載Vxowoks操作系統(tǒng)鏡像，啟動VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)包括網(wǎng)卡、USB、硬盤、串口、顯卡驅(qū)動，且支持網(wǎng)口和串口調(diào)試與顯示器命令行文字顯示。VxWorks采用DosFs文件系統(tǒng)，支持標準RS 232串口設(shè)備和標準I/O設(shè)備，可提供相關(guān)函數(shù)接口，同時Vxworks操作系統(tǒng)還支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可提供FTP，Telnet，Socket編程等網(wǎng)絡(luò)功能[10]。

4 測試方法

分別測試每個CPU的系統(tǒng)電路和接口，測試方法如圖3所示。

4.1 應(yīng)用程序更新測試

通過網(wǎng)口將CPU的測試程序下載至板子的SSD中，重新加電且應(yīng)用程序運行成功后，通過顯示器顯示運行成功信息。

4.2 DDR3 SDRAM讀寫測試

CPU分別以全0、全F、遞增數(shù)三種數(shù)據(jù)格式寫滿SDRAM進行回讀校驗，統(tǒng)計校驗錯誤數(shù)量，并將結(jié)果通過顯示器顯示。

4.3 網(wǎng)口測試

使用計算機對2個網(wǎng)口持續(xù)測試數(shù)萬包65 500 B的數(shù)據(jù)不丟包，CPU之間的網(wǎng)口持續(xù)測試數(shù)萬包65 500 B的數(shù)據(jù)不丟包。

4.4 串口測試

CPU通過RS 232接口與計算機通信，其波特率為

115 200 bps。數(shù)據(jù)格式：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位。測試時，每幀為256 B，從0開始按1累加數(shù)據(jù)，處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時，計算機通過串口調(diào)試助手或環(huán)回測試將接收到的數(shù)據(jù)進行校驗;處理器接收數(shù)據(jù)時，接收計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)后進行校驗，顯示測試結(jié)果。

4.5 USB接口測試

USB接口接鍵盤對VxWorks系統(tǒng)進行操作調(diào)試。

4.6 VGA顯示接口測試

VGA接口接顯示器可正常顯示VxWorks系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

4.7 功耗測試

直流電源加電，根據(jù)直流電源的電壓、電流顯示計算電路的功耗。

5 結(jié) 語

文章介紹了一種雙X86構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件設(shè)計方法與硬件電路測試方法。雙X86處理器可設(shè)置為每個處理器獨立工作，雙處理器分工完成不同任務(wù)的模式，實現(xiàn)雙重功能;也可以設(shè)置為處理器之間互為備份，冗余工作的模式，提升系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件設(shè)計具有接口豐富、實時性好、功耗低、體積小、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻

[1] Intel.Intel Atom Processor D2000 and N2000 Series[Z].2012.

[2] Intel.Intel NM10 Family Express Chipset[Z].2009.

[3] Intel.Intel 82574 GbE Controller Family Datasheet[Z].2009.

[4] Chrontel International Limited.CH7517 DisplayPort to VGA Converter Datasheet[Z].2012.

[5] Programmable DC Electronic Load User Guide Manual[Z]. ITECH，2010.

[6] TEXAS Instruments.MAX3232 3-V TO 5.5-V MULTICHANNEL RS 232 LINE DRIVER/RECEIVER WITH±15 kV ESD PROTECTION[Z].2004.

[7] Xilinx.Spartan-3 Generation FPGA User Guide[Z].2011.

[8] MAXIM.MAX705-MAX708/MAX813L Low-Cost，μP Supervisory Circuits Datasheet[Z].2012.

[9]相征.基于VxWorks嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[10] Wind River.VxWorks Network Programmers Guide 5.5.Wind River System[Z].2002.