基于Geode TMGX1的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性 信息家電 阻抗匹配

引言

近些年，嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，嵌入式應(yīng)用深入金融、航空航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，并進(jìn)一步滲透到日常生活領(lǐng)域――信息家電。信息家電市場的日益發(fā)展需要高效、靈活的嵌入式解決方案。

美國國家半導(dǎo)體公司（NS）的Geode TMGX1處理器是一款專門針對(duì)信息家電市場的集成處理器，具有低功耗、高性能、低價(jià)格及X86體系的兼容性與可擴(kuò)展能力。GX1與其協(xié)同芯片為瘦客戶機(jī)、交互式機(jī)頂盒以及個(gè)人Internet接入等信息家電應(yīng)用提供了靈活、可擴(kuò)展的解決方案。

1 GX1與CS5530

GX1處理器采用0.18μm CMOS工藝，典型功耗僅為0.8～1.2W（在1.6V/200MHz條件下為0.8W，在2.0V/300MHz條件下為1.2W），為X86體系中最低。除CPU內(nèi)核與電源管理等通用部件外，還在片內(nèi)集成了存儲(chǔ)管理單元、視頻控制單元、2D圖形加速單元和PCI總線主控器，有效地提高了系統(tǒng)可靠性、降低器件數(shù)量。圖1是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

根據(jù)不同的性能與功耗要求，可以選擇具有不同內(nèi)核電壓與工作頻率的芯片，提高設(shè)計(jì)的靈活性。GX1內(nèi)核為32位X86兼容內(nèi)核，支持當(dāng)前各種流行操作系統(tǒng)，可簡化軟件開發(fā)投資。

CS5530協(xié)同芯片除提供通用南橋芯片PCI-to-ISA橋接功能（包括Ultra IDE接口、USB接口、通用I/O接口等）外，還與GX1處理器一起提供完整的電源管理和音頻、視頻加速功能，并且CS5530可直接與CRT顯示器和TFT顯示器接口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

GX1處理器采用X86體系兼容的硬件結(jié)構(gòu)，故此其應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成與通常PC架構(gòu)非常類似。由于集成了內(nèi)存控制器，GX1直接連接SDRAM模塊，無需相應(yīng)的北橋芯片參與。除圖像數(shù)據(jù)外，作為PCI仲裁器，GX1與所有其它設(shè)備通過PCI總線連接。其與CS5530之間有專用的視頻通道，用來交換視頻圖像數(shù)據(jù)。

CS5530兼具了部分南、北橋功能，提供了系統(tǒng)大部分對(duì)接口功能：音、視頻接口和ISA總線接[]。系統(tǒng)BIOS和DOC均掛接在ISA總線上。

采用國家半導(dǎo)體PC97317芯片作為SUPER I/O，用來提供串行/并行接口、PS/2鍵盤、鼠標(biāo)接口、紅外接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題

（1）SDRAM時(shí)鐘

為了提供良好的存儲(chǔ)器讀寫特性，對(duì)于SDRAM時(shí)鐘有較嚴(yán)格的要求；

①時(shí)鐘信號(hào)之間長度差小于0.13cm；

②時(shí)鐘走線寬度不小于0.2mm；

③時(shí)鐘走線必須在連續(xù)的地線平面之上，且必須是走在最靠近地平面的信號(hào)層。

此外，CPU的SDCLKOUT與SDCLKIN之間的時(shí)鐘環(huán)回線應(yīng)滿足圖4要求。

另外，因?yàn)镾DRAM的時(shí)鐘頻率很高，可達(dá)到100MHz，故SDRAM信號(hào)匹配非常重要。為保證高速信號(hào)的信號(hào)完整性，對(duì)于SDRAM接口信號(hào)均應(yīng)加阻抗匹配措施，我們采用10Ω電阻串聯(lián)源端匹配的方式，效果良好。

（2）DOC

由于定位在嵌入式應(yīng)用，雖然系統(tǒng)提供了IDE硬盤接口，但在最終使用時(shí)卻過于龐大，也不適應(yīng)惡劣的嵌入式應(yīng)用環(huán)境。我們使用電子盤――DOC（Diskk on Chip）作為操作系統(tǒng)載體。

圖5 DOC地址譯碼電路

DOC2000是M-System公司推出的帶TrueFFS文件系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)設(shè)備，容量從16MB到1GB；具有EPROM兼容的電接口特性和系統(tǒng)引導(dǎo)能力，支持多種操作系統(tǒng)，是目前廣泛使用的極具成本效益的嵌入式存儲(chǔ)載體。

DOC在系統(tǒng)內(nèi)存占據(jù)8K窗口，必須把DOC映射到系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，使系統(tǒng)在初始化時(shí)能掃描到DOC的引導(dǎo)塊，從而使系統(tǒng)能夠從DOC加載操作系統(tǒng)。所以，必須對(duì)其地址譯碼專門考慮，其譯碼電路如圖5所示。

（3）模擬視頻接口

GX1內(nèi)含圖形加速單元，最高支持分辨率可達(dá)到12801024（8位色）或1024768（16位色）。

CS5530內(nèi)部集成視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（VDAC），可直接支持CRT和TFT平板顯示設(shè)備。基于成本考慮，我們選擇使用CRT監(jiān)視器，其視頻接口是模擬電路部分。為保證高速視頻信號(hào)的完整性和穩(wěn)定傳輸，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取以下措施：對(duì)RGB信號(hào)加并行端接阻抗匹配和濾波處理，同時(shí)加二極管保護(hù)電路。圖6為其參考電路。

此外，在布線時(shí)應(yīng)注意盡量與其它數(shù)字信號(hào)隔離，以減小干擾。

（4）以太網(wǎng)接口

由于系統(tǒng)要求高速聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，我們提供最常用的10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。RTL8139C是目前業(yè)界使用最廣泛也是性價(jià)比較高的以太網(wǎng)控制器芯片。

圖6 模擬視頻接口電路

RTL8139C數(shù)據(jù)總線掛在PCI總線上，這部分設(shè)計(jì)比較簡單。需要注意的是RJ45接口部分，由于其數(shù)據(jù)傳輸速度很高，為避免信號(hào)之間的相互串?dāng)_，在電路設(shè)計(jì)上需要采取一定的抗干擾措施，其參考電路如圖7所示。

4 軟件系統(tǒng)

由于系統(tǒng)與X86體系兼容，因此，其引導(dǎo)過程與通用PC類似。國家半導(dǎo)體公司提供了完整的BIOS程序和相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（包括Linux、Windows以及QNX、VxWorks等平臺(tái)）。

圖7 以太網(wǎng)接口

在當(dāng)前現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)中，Linux系統(tǒng)具有開放、免費(fèi)、可根據(jù)選擇Linux作為操作系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)平臺(tái)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用程序。將應(yīng)用軟件連同操作系統(tǒng)寫入DOC，就構(gòu)成了完整的嵌入式系統(tǒng)。

5 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其應(yīng)用千差萬別，需要慎重考慮性能、功耗、成本及人機(jī)接口等各方面因素。基于GX1與CS5530的嵌入式系統(tǒng)作為X86體系的解決方案，對(duì)于STB（機(jī)頂盒）、WBT（基于Windows的終端）及PC架構(gòu)的非PC設(shè)備等應(yīng)用環(huán)境是一個(gè)比較好的選擇。