基于網芯一號處理器的應用系統設計與實現

高飛

摘要：網芯一號處理器是我國自主研制的一款高性能通信處理器芯片，主要面向網絡安全和移動智能終端領域，集成2個GS264處理器核，最高工作主頻800 MHz，包含PCIE，SATA，DDR3等多種接口。基于處理器設計了一套完整的應用系統，對硬件和軟件設計的關鍵技術進行了闡述，結合實例對網芯一號處理器進行了功能和性能驗證。實驗結果表明，網芯一號處理器可以滿足通信設備對處理器的需求，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：網芯一號處理器；自主可控；開發系統

中圖分類號：TN915.142文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-54-4

0引言

近年來，隨著信息技術的迅猛發展，各種網絡安全風險問題接踵而至。由于我國信息技術研發生產能力較為薄弱，大量采用國外軟硬件產品[1]，這些產品通常都被境外別有用心的國家和組織留下后門及系統漏洞，或注入了惡意程序，隨時可以侵入我國信息系統實施信息盜取和破壞[2]。美國的斯諾登事件更讓我們意識到，國家的信息化及其安全體系必須搭建在我國自主知識產權的產品基礎之上。

處理器是通信設備的核心部件之一[3]，如果采用自主研制的芯片，將大大提高設備的自主可控性。網芯一號處理器是我國自主研制的一款高性能通信處理器芯片，具有性能指標高、環境適應性強和功耗低等特點，可以作為通信設備的處理器使用。

本文基于網芯一號處理器設計了一套完整的應用系統，并結合實例對網芯一號處理器的功能和性能進行了驗證，為該處理器的推廣應用奠定技術基礎。

1網芯一號處理器

網芯一號處理器是我國自主研制的一款高性能雙核通信處理器芯片，主要面向網絡安全和移動智能終端領域。網芯一號處理器集成了2個GS264處理器核，芯片外圍接口包含PCIE2.0、SATA2.0、USB2.0、64位DDR2/3、IIC及SPI等多種I/O接口。

網芯一號處理器的結構如圖1所示。一級交叉開關連接2個處理器核、2個二級Cache以及IO子網絡（Cache訪問路徑）。二級交叉開關連接2個二級Cache、內存控制器、啟動模塊（SPI或者LIO）及IO子網絡（Uncache訪問路徑）。IO子網絡連接一級交叉開關，以減少處理器訪問延遲。IO子網絡中包括需要DMA的模塊（PCIE、GMAC、SATA、USB、HDA/I2S、NAND、SDIO、DC、GPU、VPU、CAMERA和加解密模塊）和不需要DMA的模塊，需要DMA的模塊可以通過Cache/Uncache方式訪問內存。

網芯一號處理器集成2個GS264處理器核，兼容MIPS64 R2體系結構，一級指令緩存為32 KB，一級數據緩存為32 KB，二級緩存共享1 MB，包含了1個全流水的64位雙精度浮點乘加部件，通過目錄協議維護I/O DMA訪問的Cache一致性，峰值運算速度可達8 GFlops。

網芯一號處理器的最高工作主頻為800 MHz，典型功耗為5 W，支持動態降頻降壓，操作系統可以利用這個特性根據負載情況改變處理器工作頻率，從而實現降低功耗的目的。該處理器的工作溫度范圍是-40～85℃，可以滿足通信設備在惡劣環境下工作的需求。

2系統設計

2.1硬件設計

網芯一號處理器對外提供多種系統IO接口，為便于開發人員評估該處理器的功能和性能，應用系統對網芯一號處理器的多種接口進行了設計實現，系統組成框圖如圖2所示。

應用系統以網芯一號處理器為核心，主要由存儲器、高速接口及低速接口等組成。

①存儲器：應用系統的存儲器包含DDR3 SDRAM模塊、大容量存儲器及BIOS存儲器。其中，DDR3 SDRAM模塊主要用于數據存儲及暫存CPU指令執行過程中所產生或調用的各種數據結構，選用4片單芯片容量為1 GB的DDR3顆粒設計，與處理器的DDR3 SDRAM接口直接連接，組成數據寬度64位、容量4 GB的數據運行空間；大容量存儲器采用具有SATA接口的rSSD芯片設計，與處理器的SATA接口直接連接，可提供8 GB的數據存儲空間；BIOS存儲器主要用于存儲處理器的啟動代碼，包含處理器核配置和BIOS運行環境，采用1 MB容量的SPI接口NOR Flash設計。

②高速接口：應用系統的高速接口部分包含PCIE接口和RGMII接口。其中，PCIE接口連接2個PCIE接口的以太網控制器，RGMII接口連接2個RGMII接口的以太網PHY芯片。高速接口部分總共對外提供4路100/1 000 Mbit/s以太網接口，可以充分驗證處理器的數據處理能力。

③低速接口：網芯一號處理器集成了多種低速IO接口，包括IIC及SPI等。為驗證這些IO接口的功能，應用系統設計了多個IO接口芯片應用電路。其中，SPI接口設計采用多種SPI接口的存儲器電路，IIC接口設計采用IIC接口的測溫芯片電路和實時時鐘芯片電路，便于開發人員進行開發驗證。

2.2軟件設計

應用系統的軟件設計包含BIOS軟件設計和操作系統設計2個部分。其中，BIOS軟件采用MIPS架構的通用啟動固件PMON，操作系統軟件采用中標麒麟操作系統。

（1）BIOS軟件設計

PMON是MIPS架構處理器最常用的啟動固件，兼有啟動加載（Bootloader）和基本輸入輸出系統的功能[4]。PMON功能強大而豐富，包括硬件初始化、操作系統引導、硬件測試及程序調試等功能，提供多種加載操作系統的方式，可從硬盤、網絡和U盤等多種媒介加載系統，具有對內存、串口、網絡及硬盤等外設的基本測試功能。此外，PMON還內置了一個調試器，可以對加載的程序進行單步跟蹤、設置斷點等調試，并且支持軟件在線升級。PMON占用資源少，僅需要串口、512 KB ROM和128 KB RAM即可實現全部特性[5]。PMON初始化流程如圖3所示。針對網芯一號處理器的特點和應用系統的硬件電路配置，對PMON進行了系統的適配開發。經過適配，PMON可以在網芯一號處理上正常運行，并可以引導操作系統，PMON啟動圖如圖4所示。

（2）操作系統設計

中標麒麟操作系統基于LINUX內核，包含進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等幾個部分[6]，具備多核和多進程支持能力，在應用層配套有較成熟的多款軟件產品。針對網芯一號處理器的特點和應用系統的硬件電路配置，在網芯一號處理器的基礎上適配了中標麒麟操作系統，開發了包含PCIE、RGMII、IIC、SPI和UART在內的多款驅動程序，對網芯一號處理器的各種接口進行了功能驗證。

3系統實現

為便于網芯一號處理器的應用推廣，應用系統采用核心模塊+底板的組合形式。核心模塊包含網芯一號處理器及存儲器等最小系統電路，處理器的接口信號對外引出。核心模塊通用性強，對外的接口信號基本滿足通信裝備對處理器的接口信號需求。當開發人員完成對網芯一號處理器的功能和性能評估后，可直接將核心模塊安裝到實際設備中。底板對核心模塊提供的接口信號進行了電路設計實現，考慮到實際工程應用，底板對核心模塊的對外接口信號進行了電路實現，包括千兆以太網、串口、USB、溫度傳感器、ITC及SPI存儲器等多種接口電路。應用系統的外觀圖如圖5所示，所有接口電路均可直接應用到實際工程中，大大減少了開發人員的重復勞動，具有較強的指導意義。

為驗證網芯一號處理器的接口能力，對開發系統的各個接口進行了功能測試，測試結果如圖6～圖9所示。

為測試網芯一號處理器的數據處理能力，利用SFTP服務器對開發系統的千兆以太網接口進行了性能測試，傳輸文件大小為957.8 MB，傳輸速率可達11 796.77 KB/s，測試結果如圖10所示。

測試結果表明，網芯一號處理器數據處理能力強、接口種類豐富，可以滿足通信設備對處理器的需求，具有廣泛的應用前景。

4結束語

本文對網芯一號處理器的技術特點進行了介紹，基于該處理器設計了一套完整的應用系統，對硬件和軟件設計的關鍵技術進行了闡述，并結合實例對網芯一號處理器進行了功能和性能驗證。驗證結果表明，網芯一號處理器處理能力強、接口種類豐富，可以作為通信設備的處理器使用，大大提高設備的自主可控度，具有廣泛的市場應用前景。

參考文獻

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[6]徐海亞，趙增基，朱波，等.基于中標麒麟的POWERLINK節點實時性解決方法[J].火力與指揮控制，2014，39（5）：164-167.