基于國產(chǎn)龍芯GS32I的小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘要   針對(duì)目前在嵌入式領(lǐng)域使用國產(chǎn)芯片比較少的現(xiàn)狀，簡要介紹了國產(chǎn)32位處理器龍芯2號(hào)GS32I的工作原理，著重從硬件方面介紹了其接口的擴(kuò)展方法和擴(kuò)展信號(hào)的定義，同時(shí)給出了基于GS32I小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞    嵌入式系統(tǒng)、GS32I、 接口、龍芯

一． 引言

目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)控制，軍事國防，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通信等，但大部分領(lǐng)域的應(yīng)用都是基于國外各大廠商的嵌入式處理器。在嵌入式領(lǐng)域使用國產(chǎn)芯片，走國產(chǎn)化道路已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問題。目前國內(nèi)的芯片主要有星光系列、漢芯系列、神威系列、青鳥嵌入式芯片、方舟系列、龍芯系列等，這些芯片各有自己的特點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用了龍芯系列的GS32I SoC處理器，探討并設(shè)計(jì)如何構(gòu)造一個(gè)小型嵌入式硬件系統(tǒng)，同時(shí)兼顧科研與應(yīng)用兩方面的要求，在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上可以連接各種外設(shè)進(jìn)行嵌入式算法的實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)經(jīng)簡單修改能方便地應(yīng)用在軍事、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。

二． 芯片簡介

目前龍芯系列微處理器有龍芯1號(hào)，龍芯2號(hào)微處理器。龍芯2號(hào)集成了橋芯片，采用分離的32位地址/數(shù)據(jù)總線，因此本設(shè)計(jì)采用基于龍芯2號(hào)的GS32I SoC處理器。

GS32I高集成系統(tǒng)設(shè)備，提供了高帶寬的存儲(chǔ)總線，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器；48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專用，可以多路復(fù)用，以便在需要的時(shí)候能提供額外的功能；33/66MHz、32位PCI控制器（兼容PCI2.2）；兩個(gè)10/100M以太網(wǎng)控制器；通用串行總線（USB）主機(jī)及裝置控制器，兩個(gè)通用異步收發(fā)器，一個(gè)AC97控制器，一個(gè)PCMCIA控制器。GS32I處理器內(nèi)部還實(shí)現(xiàn)了與MIPS32兼容的基于TLB的虛擬地址轉(zhuǎn)換單元、例外機(jī)制、中斷機(jī)制、指令控制、時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。GS32I提供了強(qiáng)健的電源管理，有空閑和睡眠兩種省電模式，還提供有EJTAG接口，用于系統(tǒng)連續(xù)檢查。

三． 小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

GS32I總線采用系統(tǒng)總線（SBUS）與存儲(chǔ)器和外部設(shè)備通信。SBUS是GS32I處理器內(nèi)部的36位物理地址和32位數(shù)據(jù)地址總線。需要高帶寬或者需要離CPU近的設(shè)備連到SBUS總線，包括存儲(chǔ)器控制器（SDRAM， FLASH/SRAM）、32位PCI總線接口控制器、DMA 控制器、USB1.1控制器和以太網(wǎng)控制器。不需要高帶寬連接的設(shè)備均連至片上外部總線PBUS，外部總線的頻率始終是系統(tǒng)總線(SBUS)頻率的一半。PBUS設(shè)備包括電源控制單元、中斷控制器、時(shí)鐘定時(shí)器、通用I/O、UART、AC97控制器。

1． 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

小系統(tǒng)硬件功能框圖如圖1所示：

圖1  總體框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括CPU啟動(dòng)和復(fù)位電路以及外部I/O設(shè)備的地址擴(kuò)展； 包括FLASH和SRAM在內(nèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；RS232串口；用于人機(jī)交互的4×4小鍵盤和4位LED數(shù)碼管，另外還提供了八路開關(guān)量的輸入/輸出、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及用來實(shí)驗(yàn)和測試的EJTAG接口等。

2. 系統(tǒng)的啟動(dòng)與復(fù)位

龍芯GS32I支持16位和32位啟動(dòng)。管腳 ROMSEL和ROMSIZE的狀態(tài)決定了CPU啟動(dòng)ROM的寬度和類型，此表如下所示： 

表1:                                                                              

基于系統(tǒng)國產(chǎn)化的需求，使用免費(fèi)開放源代碼的Linux操作系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。為了方便其嵌入，本系統(tǒng)設(shè)置為32位FLASH啟動(dòng)，即把ROMSEL和ROMSIZE都置為低電平。啟動(dòng)時(shí)，若ROMSEL為低電平，則RCSO#缺省設(shè)置為有效，并且對(duì)Ox0 1FCO 0000使能，CPU從物理地址Ox0 1FCO 0000地址開始執(zhí)行程序。因此，F(xiàn)LASH或ROM的起始地址應(yīng)該通過RCS0#映射到此處。系統(tǒng)復(fù)位模塊提供GS32I處理器的硬件復(fù)位和軟復(fù)位。當(dāng)管腳VDDXOK和RESETP#都有正電平跳變時(shí)，硬件復(fù)位有效，這一般在系統(tǒng)加電時(shí)產(chǎn)生。

若電源供電正常，且VDDXOK保持，當(dāng)RESETP#發(fā)生正電平跳變時(shí)，軟件復(fù)位有效。這種復(fù)位對(duì)一些寄存器，特別是系統(tǒng)控制塊寄存器沒有影響。復(fù)位芯片采用可監(jiān)視供電電源的低功耗芯片MAX811SU，電路原理如下圖所示：

      

圖2  RESET電路

3. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

GS32I提供了高帶寬的存儲(chǔ)總線，一個(gè)100/125MHz SDRAM控制器和一個(gè)SRAM/Flash EPROM控制器。SRAM/Flash EPROM控制器可以支持FLASH 、SRAM、LCD 、PCMCIA和外部I/O設(shè)備等。

針對(duì)存儲(chǔ)容量要求比較低的小型嵌入式系統(tǒng)，SRAM設(shè)計(jì)為16M bit，F(xiàn)LASH設(shè)計(jì)為64M bit，已能夠滿足應(yīng)用需求。SRAM/Flash EPROM控制器有四個(gè)可編程的片選信號(hào)RCS0#～RCS3#，本文將RCSO#，RCS1#用于FLASH和SRAM，RCS2#用做對(duì)外部I/O設(shè)備的地址擴(kuò)展。

本設(shè)計(jì)采用了2片Intel公司的28F320C3 FLASH，作為系統(tǒng)ROM區(qū)，存放操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序；兩片ISSI公司的IS61LV51216 SRAM，作為系統(tǒng)RAM區(qū)，存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。其中RCS0#用于FLASH的片選信號(hào)，與FLASH的CS#連接，RCS1#用于SRAM的片選信號(hào)。關(guān)于存儲(chǔ)器的硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖所示：

圖3   存儲(chǔ)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)示意圖

⑴  FLASH接口設(shè)計(jì)及相關(guān)寄存器的設(shè)計(jì)

28F320C3 FLASH的存儲(chǔ)容量為2M×16 bit。由于SRAM/Flash EPROM控制器設(shè)置為32位總線寬度，使用兩片28F320C3 FLASH擴(kuò)展為32位總線寬度，地址線連接至GS32I地址總線的RAD2～RAD22，每次讀取四個(gè)字節(jié)； GS32I復(fù)位后起始地址是 0x0 1FC0 0000，F(xiàn)LASH的地址被裝載到此處，每個(gè)片選信號(hào)的地址映射范圍是通過設(shè)置片選地址寄存器mem_staddr0來實(shí)現(xiàn)的，片選地址寄存器mem_staddr0的格式如下所示：

當(dāng)E位置為1并且滿足條件“(physical_addr&CSMASK)==CSBA”時(shí)，片選信號(hào)將變?yōu)橛行?。physical_addr是內(nèi)部系統(tǒng)總線作為輸出的實(shí)際的36位物理地址，CSBA用來指定這個(gè)片選信號(hào)的物理基地址的31：18位，CMASK用來指定CSBA的哪些位被用來譯碼片選信號(hào)。CSBA的高四位，也就是35：32位由mem_stcfg0寄存器的DTY域來決定。本系統(tǒng)中，mem_stcfg0寄存器的DTY域設(shè)置為3，則對(duì)應(yīng)的高四位35：32位的值為0000B，CSBA設(shè)置為0x07F0，CMASK設(shè)置為0x3FF0這樣FLASH的地址就被映射到0x0 1FC0 0000—0x0 1FFF FFFF。

FLASH最快讀取速度為70ns， CPU系統(tǒng)總線周期為10ns（100MHz），因此在讀取FLASH時(shí)需要插入等待狀態(tài)，通過設(shè)置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0來插入等待周期。靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime0的格式為：

Ta域?yàn)閿?shù)據(jù)有效時(shí)片選信號(hào)要求插入的周期數(shù)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)FLASH的讀取參數(shù)，插入7個(gè)等待周期，因此Ta域設(shè)置為7。Ta域默認(rèn)值為29，在選取啟動(dòng)ROM芯片時(shí)，若芯片讀取參數(shù)需要插入的等待周期超過29，則這種芯片不可用。Tcsh域用來指定在兩次訪問期間片選信號(hào)保持的時(shí)鐘周期數(shù)，這里設(shè)置為0。

  ⑵  SRAM接口設(shè)計(jì)及相關(guān)寄存器的設(shè)計(jì)

SRAM的存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)為512K×32位，可使用兩片IS61LV51216 SRAM（512K×16）通過位擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。將RCS1#連接到SRAM的片選信號(hào)CS#上，地址線連接至GS32I地址總線的RAD2～RAD20，地址范圍是通過設(shè)置片選地址寄存器mem_staddr1來映射的，設(shè)置方法與mem_staddr0的實(shí)現(xiàn)相同。

SRAM時(shí)序與CPU的配合是通過設(shè)置靜態(tài)時(shí)序寄存器mem_sttime1來完成的，mem_sttime1的格式與的mem_sttime0相同。IS61LV51216 SRAM的讀寫速度最快為10ns, 片選信號(hào)RCS1#插入一個(gè)等待周期，Ta域設(shè)置為1，Tcsh域設(shè)置為0。對(duì)于SRAM的寫入，與其相關(guān)的域有Twcs，用來指定寫脈沖RWE#后片選信號(hào)RCS1#保持的時(shí)鐘周期數(shù)， Tcsw用來指定片選信號(hào)RCS1#有效后的幾個(gè)時(shí)鐘周期插入RWE#，Twp用來指定RWE#持續(xù)的時(shí)鐘周期數(shù)。根據(jù)SRAM的參數(shù)和SRAM的讀寫時(shí)序，本設(shè)計(jì)中，Twcs，Twp都設(shè)置為0，Tcsw設(shè)置為0000b，這樣使SRAM與CPU的時(shí)序能夠配合且保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)置完成后，SRAM的讀寫時(shí)序如下圖所示：

圖4   SRAM讀寫時(shí)序圖

4．其他外部設(shè)備的設(shè)計(jì)

GS32I處理器提供48個(gè)GPIO口，其中22個(gè)專用，48個(gè)GPIO中的32個(gè)由主GPIO塊控制，另外16個(gè)是次級(jí)GPIO口。每個(gè)GPIO口可以被配置作為輸入或輸出，并且能夠連接到內(nèi)部中斷控制器對(duì)輸入的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)中斷。本設(shè)計(jì)中采用GPIO管腳作為外設(shè)的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。

 (1) 串口的設(shè)計(jì)

RS232收發(fā)器使用MAXIM公司的MAX3232，采用最簡單的三線制接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連，原理圖如下所示：

圖5   串口電路原理圖

(2) 鍵盤驅(qū)動(dòng)和數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)

4×4鍵盤和四位LED顯示用于人機(jī)交互。4×4小鍵盤采用專用的鍵盤譯碼芯片74C922，中斷方式連接，通過GPIO1觸發(fā)中斷。顯示模塊是四位共陰極LED七段數(shù)碼管，段碼通過共陰極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器74LS248驅(qū)動(dòng)，位碼用74LS373寄存器送數(shù)據(jù)。這個(gè)設(shè)計(jì)比較簡單，限于篇幅，略去原理圖。

(3)A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

A/D 和D/A使用封裝小，功耗低，且能滿足高速采樣系統(tǒng)的串行轉(zhuǎn)換器，這樣適合嵌入式系統(tǒng)的要求。串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送與接收數(shù)據(jù)是通過GS32I的GPIO口來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中用次級(jí)GPIO口作為串行數(shù)據(jù)的輸入輸出，主GPIO產(chǎn)生中斷。

A/D轉(zhuǎn)換器使用的是AD 公司的高速12 位A/D 轉(zhuǎn)換器AD7896， 轉(zhuǎn)換速率為100kHz, 單電源供電(2.7V～ 5.5V )。首先通過八選一開關(guān)74HC4351輸入模擬量，通過GPIO口GPIO2O2寫CVRT#W為低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于CVRT#信號(hào)要求至少保持40ns，所以GPIO2O2通過74LS123展寬為40ns后再輸入至CVRT#。轉(zhuǎn)換完成后，通過GPIO0信號(hào)觸發(fā)中斷，CPU通過GPIO口的GPIO201串行接收數(shù)據(jù)，整個(gè)轉(zhuǎn)換周期只需10us。

D/A轉(zhuǎn)換器采用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD8300，GS32I通過GPIO口串行發(fā)送數(shù)據(jù)到AD8300。由于AD8300接收12位數(shù)據(jù)要求CS#至少保持720ns，所以提供片選的GPIO207通過74LS123后再接至AD8300的CS#端。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，通過GPIO口GPIO206發(fā)送一個(gè)信號(hào)到AD8300的LD#，把串行輸入寄存器的數(shù)據(jù)送到AD8300的DAC寄存器，開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

此外，GS32I根據(jù) MIPS EJTAG 2.5規(guī)范實(shí)現(xiàn)了EJTAG，并提供其外部接口。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)試和執(zhí)行調(diào)試能力的軟硬件子系統(tǒng)。

四. 結(jié)束語

對(duì)于使用國產(chǎn)芯片開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的研究在我國還是剛剛起步，可以借鑒的開發(fā)資料和經(jīng)驗(yàn)還不多見，希望本文所介紹的基于龍芯GS32I小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以對(duì)使用國產(chǎn)芯片進(jìn)行嵌入式研究的人員具有一定的參考價(jià)值。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：使用龍芯GS32I自行設(shè)計(jì)了嵌入式開發(fā)板，選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，配合相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)各種電子產(chǎn)品的開發(fā)。使用國產(chǎn)芯片開發(fā)的產(chǎn)品在政府部門、軍事、國防等安全性較高的領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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