摘 要： 給出一款基于Intel ATOM處理器的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，并對Menlow平臺架構(gòu),、系統(tǒng)電源、時鐘,、音頻,、視頻、BIOS等實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)作了深入闡述,。經(jīng)過測試應(yīng)用,，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： ATOM處理器,； Menlow,； BIOS； LPC總線
ATOM處理器采用突破性全新設(shè)計(jì)的45納米工藝,，將4 700萬個晶體管集成至一塊面積小于25 mm2的單一芯片中,，從而成為了英特爾史上體積最小、功率最低的X86處理器,。由于性能出色,，功耗很低，ATOM處理器非常適用于移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,、低功耗移動互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī),、基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)臺式機(jī)，以及對功耗要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用場合[1],。
本文針對工業(yè)控制系統(tǒng)小體積,、低功耗的應(yīng)用需求，利用Intel最新的低功耗移動ATOM處理器特點(diǎn),，提出一整套工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。
1 平臺架構(gòu)
Intel定義的“迅馳Atom處理器技術(shù)”整套平臺包括Intel Atom處理器（Silverthorne和Diamondville）、低功耗“伴侶芯片”（橋芯片）以及超薄超輕的設(shè)計(jì),。Diamondville與945GSE橋芯片搭配組成Navy Pier平臺,。Silverthrone和代號Pouslbo的橋芯片搭配組成Menlow平臺。Navy Pier平臺采用兩塊橋芯片,，體積較大,，主要適用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品,，Menlow平臺中采用集成的橋芯片,，整個平臺體積較小,，功耗很低，非常適合工業(yè)平臺應(yīng)用,，本文采用的是Menlow平臺的實(shí)現(xiàn)方案,。
Menlow平臺主要由Poulsbo橋芯片和ATOM Z5××處理器組成。Poulsbo 橋芯片面積22 mm×22 mm,，可提供兩條PCI-E x1插槽,、1個IDE PATA 100接口、3個SDIO和MCC存儲卡插槽,，內(nèi)部集成了USB 2.0控制器,、內(nèi)存控制器、高清晰度音頻控制器,、圖形核心等眾多模塊,。在圖形核心方面采用GMA500核心，核心頻率高達(dá)200 MHz,，支持DirectX 9,、OpenGL和3.0+Shaders，同時支持硬件解碼H.264,、MPEG2,、MPEG4、WMV9等[2],。
本設(shè)計(jì)中采用單通道內(nèi)存控制器,，可以支持DDR2 533和 DDR2-400。通過橋片擴(kuò)展了網(wǎng)口,、LVDS,、DVO口，4個USB口,，1個PATA和SATA,。音頻為HD Audio。其他的如RS232,、系統(tǒng)燈指示,、開關(guān)機(jī)控制則通過LPC總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖[5]如圖1所示,。
2 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)
電源是ATOM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié),，難度在于：(1)因?yàn)橐o多個功能模塊供電，需要采用很多開關(guān)電源,，對整個系統(tǒng)的EMI電磁干擾影響很大,。(2)要充分考慮電源的轉(zhuǎn)換效率,。ATOM處理器主要用在便攜式的應(yīng)用場合，在選用器件時,，不但要保證功率足夠,，還要經(jīng)濟(jì)高效。電池的供電時間,，也是整個系統(tǒng)性能考核的重要一環(huán),。電源轉(zhuǎn)換時功率損失所產(chǎn)生的熱量也會造成系統(tǒng)溫度上升，導(dǎo)致系統(tǒng)散熱成本的增加,。
在本設(shè)計(jì)中,，利用LT4100實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。VIN_3.3 V為常備電壓,，只要外接電源或內(nèi)部電池有電,，芯片7803就工作。該芯片主要是負(fù)責(zé)給EC供電,。EC一旦檢測到開機(jī)按鍵信號,，就產(chǎn)生開機(jī)脈沖POWEREQ#，LT3780開始工作,，電源管理電路開始運(yùn)行,，后續(xù)電路依次使能。設(shè)計(jì)中選用SC454為CPU內(nèi)核供電芯片,，該片是單相高性能PWM控制器,專用于增強(qiáng)型IMVP-6和IMVP6+TM處理器,。片內(nèi)支持所有IMVP-6/6+的需求，如有效電壓步進(jìn),、輸出電壓動態(tài)可調(diào),，深睡眠設(shè)置等。SC454使用了遲滯控制技術(shù),，比傳統(tǒng)的PWM控制器有著更快的反應(yīng)速度,。刪除了敏感電阻，減少了功耗,，簡化了PCB布板,。集成智能化驅(qū)動技術(shù)通過軟開關(guān)控制上下兩側(cè)的MOS管，有效減少了過沖,、振鈴和EMI,。該芯片提供系統(tǒng)時鐘使能腳CLKEN#和過熱指示信號VRTT#。在電源輸出穩(wěn)定后,，CLKEN#打開系統(tǒng)時鐘芯片,；過熱時，VRTT#提供信號給橋片,，關(guān)閉系統(tǒng),。SC454根據(jù)處理器負(fù)載情況調(diào)節(jié)核心電壓,，負(fù)載上升時，逐步下降電壓,，從而能夠使高負(fù)載狀態(tài)下的CPU耗電量降低,。從而確保系統(tǒng)有比較低的TDP、平均與主動耗電量,。
選用SC486產(chǎn)生DDR內(nèi)存的1.8 V電源,，SC415產(chǎn)生橋片的內(nèi)核電壓+VCCP和輔助I/O電壓+V1.5S，SC454產(chǎn)生+VCC_CORE,。在實(shí)際應(yīng)用過程中，上電次序很重要,，一般情況下,，先開SC486，輸出電壓穩(wěn)定后,，再開SC415,，+VCCP和+V 1.5S穩(wěn)定后才使能SC454，輸出+VCC_CORE,。關(guān)機(jī)次序則相反,。本項(xiàng)目采用CPLD實(shí)現(xiàn)了電源的開關(guān)機(jī)和低功耗處理，包括進(jìn)操作系統(tǒng)后的關(guān)機(jī),、待機(jī),、休眠以及重啟功能。如圖2所示,。
為了提高系統(tǒng)可靠性以及電磁兼容特性,，電源的合理布局非常重要。正確的解決方案是在印制電路板的電源層按電源布局分割出相應(yīng)數(shù)量的電源塊,。每個電源塊都應(yīng)保證足夠的面積以負(fù)荷工作電流,，而且擁有各自獨(dú)立的返回地線以有效避免不同電源之間的干擾。其次還應(yīng)該在電源上加不同頻響段的退耦電容以保持電源的純凈,。
3 時鐘拓?fù)?/strong>
系統(tǒng)所需要的各種時鐘信號由時鐘發(fā)生器ICS9UMS9001 產(chǎn)生,，特點(diǎn)如下:專為超級移動PC（UMPC）設(shè)計(jì)的時鐘芯片，芯片內(nèi)部最大限度抑制EMI電磁干擾,；外加14.318 MHz晶振為振蕩源;支持電源管理模式,，具有低功耗和正常工作兩種模式。本設(shè)計(jì)中,，將模式選擇輸入管腳和SC454的CLKEN#連接,，確保在CPU內(nèi)核上電時，時鐘發(fā)生器工作,，在休眠,、待機(jī)等情況時,，同步進(jìn)入低功耗模式。
4 系統(tǒng)音頻
Pouslbo內(nèi)部集成了HD Audio數(shù)字音頻控制器,。與傳統(tǒng)的AC’97相比,，HD Audio具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬寬、音頻回放精度高,、支持多聲道陣列麥克風(fēng)音頻輸入,、CPU的占用率更低和底層驅(qū)動程序可以通用等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中,，在外部擴(kuò)展了一片符合 HD Audio規(guī)范的 CODEC 編解碼芯片 ALC888,，即可實(shí)現(xiàn)通用音頻功能，音頻放大器采用 SM2303[5],。ALC888是一個7.1+2通道的HD Audio編解碼芯片,具有2路立體聲輸入ADC,，10路DAC輸出,幾乎可以同時支持7.1音頻回環(huán)、2路立體聲輸出,。該芯片有2個SENSE信號線,，帶有插入感知功能，可以感知音頻插頭插入和拔除,。Pouslbo的HD Audio數(shù)字音頻控制器通過專門的“Azalia Link”總線與 ALC888通信,。具體信號線分別是位時鐘(Bit Clock)、 串行數(shù)據(jù)輸出(Serial DatOut),、串行數(shù)據(jù)輸入(Serial Data In),、同步信號(Sync)和復(fù)位信號(Reset#)。位時鐘頻率為24 MHz,，由 Pouslbo產(chǎn)生,。如圖3所示。
要想音頻品質(zhì)良好,，在 PCB布線時模擬信號及回路必須與數(shù)字電路隔離,，音頻電路的模擬部分對數(shù)字噪聲非常敏感。防范噪聲的最好措施是遵循“功能分區(qū)”的原則,，建立一個獨(dú)立的模擬信號區(qū)域,，以完全隔離模擬部分與數(shù)字部分的所有元件、信號通路,、電源層以及接地層,。一般將該區(qū)域放在板子的邊緣，以盡量縮短信號線,，減少音頻信號線受干擾的可能,。ALC888模數(shù)劃分很清晰，沒有交叉的區(qū)域，布板很方便[4],。
5 系統(tǒng)視頻 LVDS,、DVO
Pouslbo內(nèi)部集成了GMA 500，配備了硬件解碼支持,，可以支持MPEG-4 AVC(H.264),，可以在不給CPU帶來額外負(fù)載的同時播放VC1(WMV9)、MPEG-2,、MPEG-4視頻,。Pouslbo內(nèi)部集成了LVDS、SDVO接口,，可以直接引出,。本設(shè)計(jì)中液晶顯示屏選用Philips 的LP121×04，該屏12.1英寸,，1024×768像素,，具有LVDS接口，使用很方便,。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，擴(kuò)展了一路DVO的接口,。
6 外部接口
網(wǎng)絡(luò)控制芯片選用了Realtek瑞昱公司64Pin LQFP封裝的RTL8111,，該片基于PCI-Express接口，真正解決了目前標(biāo)準(zhǔn)PCI接口對于千兆網(wǎng)卡帶寬不足的問題,。集成了10/100/1000轉(zhuǎn)換器,，支持遠(yuǎn)程喚醒和網(wǎng)絡(luò)喚醒，兼容802.3系列協(xié)議,，支持PCIE 1.1協(xié)議,。該片嵌入了帶有自適應(yīng)均衡器的PCIE物理層，PCB布線長度可以達(dá)到40英寸,，設(shè)計(jì)使用很方便,。
Pouslbo只支持PATA口。本設(shè)計(jì)中采用JM20330實(shí)現(xiàn)SATA/PATA轉(zhuǎn)換,，該片包含了串行 ATA 的物理層,、連接層、傳輸層以及并行ATA 的控制器（應(yīng)用層）,，符合串行ATA1.0a的協(xié)議,，支持1.5 GHz的數(shù)據(jù)速率，主從模式可以通過跳線設(shè)置,，支持PIO模式,、UDMA模式[5]。
Pouslbo內(nèi)部集成了USB接口,，通過濾波器直接引出到端口,。本設(shè)計(jì)中,，引出了4個USB外部接口，如圖4所示,。
7 LPC總線
Pouslbo內(nèi)部集成了LPC總線控制器,。LPC總線是 Intel為了取消慢速的ISA而制定的一個新規(guī)格[3]。以前在ISA上跑的硬件,，例如鍵盤,、鼠標(biāo)、串口,、并口等慢速外圍都可用支持 LPC 的SUPER IO芯片控制,，而且在軟件上是完全兼容的。本設(shè)計(jì)中,，選用的LPC外部嵌入式芯片為IT8513,，主要負(fù)責(zé)外接鍵盤、電池電量,、系統(tǒng)指示燈,、開關(guān)機(jī)操作并通過ADM3202實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展引出兩路串口,。系統(tǒng)BIOS芯片也掛接在LPC總線上,。上電開機(jī)后，由橋片提供時鐘,，讀BIOS固件內(nèi)容,，引導(dǎo)系統(tǒng)啟動。
系統(tǒng)BIOS采用 Phoenix BIOS 6.0源代碼軟件包,，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),。BIOS按功能可分為四個大的模塊：加電自檢 POST(Power On Self Test)部分、基本的中斷服務(wù)例程,、 系統(tǒng)BIOS設(shè)置和引導(dǎo)加載,。POST提供了一系列診斷例程來測試系統(tǒng)組件，初始化數(shù)據(jù)區(qū)并報告系統(tǒng)信息[6],。一般說來,， POST測試通過后基本能保證各硬件設(shè)備的正常工作，從而使得系統(tǒng)正常運(yùn)行,。如圖5所示,。
對于低功耗平臺來說，性能已經(jīng)不是衡量的唯一標(biāo)準(zhǔn),，甚至不是最重要的標(biāo)準(zhǔn),，而低功耗和低發(fā)熱量才是最大亮點(diǎn)。本系統(tǒng)在沒有散熱片的情況下不但完成了所有的調(diào)試和測試，而且還保持了非常低的溫度,。實(shí)測系統(tǒng)板在帶固態(tài)硬盤不接屏,、運(yùn)行WindowsXP操作系統(tǒng)時，平均功耗為5.96 W,，待機(jī)為5.6 W,。帶屏測時，平均功耗為9.39 W,，待機(jī)為6.39 W,。目前市面上普通的2.8 Ah的3節(jié)鋰離子電池，正常使用時可以續(xù)航4 h以上,。整機(jī)體積較小,，實(shí)際尺寸為10 cm×6 cm。
整機(jī)測試中,，系統(tǒng)可以在WindowsXP操作平臺上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 3DMark等測試軟件超過24 h,，完全能滿足特定的低功耗工業(yè)用途。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用到客戶的便攜式移動計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,，通過了軍方組織的高低溫,、淋雨、振動,、跌落及沖擊試驗(yàn),，穩(wěn)定性符合要求。性能也達(dá)到目前相似商用平臺的水平,表1為采用EVEREST v5.50.2100軟件常溫下進(jìn)行的測試數(shù)據(jù),。對比臺灣某專業(yè)公司的商用平臺，本主板在浮點(diǎn)運(yùn)算,、CPU性能,、內(nèi)存讀寫等方面的測試數(shù)據(jù)均與之不相上下，達(dá)到了原定各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] Intel Centrino AtomTM Processor Technology Design Guide. March 2009, Revision 2.1.
[2] External Design Specification (EDS) System Controller Hub (Intel SCH) Small Form Factor. February 2009, Revision 2.1.
[3] Intel Low Pin Count (LPC) Interface Specification,August 2002,Revision 1.1.
[4] Intel AtomTM Processor and Intel System Controller Hub US15W Layout Checklist ,June 2008 Revision 2.1.
[5] Menlow Platform Crown Beach Customer Enabling Board Schematics. November 2007,Revision 1.5.
[6] 韓山秀. BIOS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī), 2005,22(11):1132,115.