1、概述

    龍芯系列CPU是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所自主研發(fā)的高性能通用CPU。龍芯2號超標量處理器及其IP系列主要面向桌面應(yīng)用和部分高端嵌入式應(yīng)用。其中，龍芯2E微處理器是一款實現(xiàn)64位MIPS III指令集的通用RISC處理器。其綜合性能已經(jīng)達到高端奔騰III處理器以及中、低端奔騰4處理器的水平。目前，采用龍芯系列處理器的個人計算機、便攜式計算機和嵌入式計算機已經(jīng)得到推廣。

    先進電信計算構(gòu)架(Advanced Telecom ComputingArchitecture, ATCA)作為開放式、可互操作的電信行業(yè)標準，正在成長為新一代電信級模塊化通信平臺構(gòu)架。目前，多種構(gòu)架的主流處理器在此平臺上都有應(yīng)用，如Intel公司的Xeon系列x86處理器，F(xiàn)reescale公司的MPC8xxx系列PowerPC處理器。本文介紹的采用龍芯2E處理器的高級夾層卡(Advanced Mezzanine Card, AMC)計算模塊是ATCA規(guī)范定義的標準模塊，可以直接應(yīng)用于符合該規(guī)范的系統(tǒng)。基于ATCA的廣泛用途和良好的發(fā)展前景，這種模塊必將大大擴展龍芯系列處理器在電信服務(wù)、信號處理等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、ATCA 系統(tǒng)

    2.1 ATCA平臺

    ATCA標準即先進的電信計算平臺，是為下一代融合通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供一個高性價比的、兼容的、可擴展的硬件構(gòu)架，同時以模塊化結(jié)構(gòu)的形式呈現(xiàn)，以支持符合現(xiàn)代傳輸需求的技術(shù)或應(yīng)用。ATCA標準由一個核心規(guī)范PICMG3.0和一系列輔助規(guī)范組成。在核心規(guī)范中定義了機械結(jié)構(gòu)、散熱管理、電源分配和系統(tǒng)管理，而輔助規(guī)范定義了多種交換互聯(lián)的構(gòu)架。與同是PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group) 組織制定的前一代標準CompactPCI相比，ATCA提供了更大的帶寬、功率與更好的冷卻能力，節(jié)省了更多電路板面積，整合了基底層系統(tǒng)管理功能，同時也移除了可能導(dǎo)致單點失效的并行總線。表1列出了2代標準部分內(nèi)容的比較。

    2.2 AMC模塊

    AMC適用于但不僅限于ATCA載板。其基本規(guī)范定義了機械結(jié)構(gòu)、管理、供電、散熱和交換互聯(lián)。AMC通過GbE, PCI Express和Serial RapidIO等高性能串行通道互聯(lián)，支持熱插拔，不丟失數(shù)據(jù)。AMC模塊采用前操作方式，插拔過程不會對背板或其他板卡產(chǎn)生影響，擁有智能平臺管理接口(Intelligent Platform Management Interface, IPMI)，保證ATCA載板與模塊之間的兼容。通過AMC可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計并提高系統(tǒng)靈活性。又由于其性價比及其他優(yōu)點，因此AMC越來越多地被看作設(shè)備中的現(xiàn)場可更換單元(Field Replaceable Units, FRU)。種類豐富的AMC以多樣的功能適用于廣泛的市場，尤其能夠滿足小型化和低成本的需求。AMC夾層卡的典型功能包括電信接口、處理器(CPU, DSP, FPGA)與存儲。

3、模塊整體框架

    該模塊是一個功能完整、可以獨立工作的小型化計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由龍芯2E處理器、內(nèi)存模塊、北橋和相應(yīng)的外圍接口組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    龍芯2E處理器的外圍接口主要包括64位SYSAD 總線和DDR SDRAM控制器總線，系統(tǒng)其他接口均需要由橋片提供。為了使系統(tǒng)具備更加先進的通信接口和靈活配置的能力，采用FPGA作為北橋芯片的方案。利用FPGA具有豐富I/O資源的特點，通過對FPGA的開發(fā)，系統(tǒng)具有可以用于配置、監(jiān)測和調(diào)試的RS232串口、以太網(wǎng)和JTAG-UART接口，同時還具備高帶寬、低延遲的高速RapidIO接口。其中，F(xiàn)PGA融合了傳統(tǒng)意義的北橋、南橋的部分功能，形成適合本模塊應(yīng)用的接口芯片組。板載的Flash ROM用于存儲啟動程序、操作系統(tǒng)和其他用戶需要存放的代碼。

4、關(guān)鍵技術(shù)特點

    4.1 芯片組

    芯片組設(shè)計是實現(xiàn)模塊功能的重點和難點。由于本模塊中沒有分離的北橋和南橋，因此后文將其更準確地表示為“芯片組”。盡管處理器一直是研究和市場的熱點，但芯片組會直接影響最終系統(tǒng)的功能和性能，在系統(tǒng)中同樣具有十分重要的地位。

    龍芯2E處理器采用64位SYSAD總線，而ATCA和AMC規(guī)范定義了系統(tǒng)內(nèi)互聯(lián)的標準是RapidIO、PCI Express、InfiniBand和交換式以太網(wǎng)等基于串行通信和包交換的通信協(xié)議。目前，實驗室已有的ATCA構(gòu)架的實驗平臺是基于RapidIO協(xié)議構(gòu)建的。因此，模塊設(shè)計規(guī)范化的要求和實際條件決定芯片組必須具備以下特征：
    (1)為處理器提供SYSAD總線接口；
    (2)為模塊提供串行RapidIO接口；
    (3)可以修改通信協(xié)議，以方便接入其他ATCA系統(tǒng)。

    市場上并沒有同時滿足前2條要求的ASIC產(chǎn)品，而第(3)條要求更需要芯片組有可重構(gòu)的能力。基于此考慮，最終確定了FPGA的實現(xiàn)方案。

    對于大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，模塊化思想已經(jīng)被公認為行之有效的設(shè)計方法。Altera公司的SOPC工具可以方便地幫助設(shè)計者實現(xiàn)模塊化設(shè)計。它提供了大量成熟的IP和公開的、可裁剪的Avalon總線。用戶只需將自己的獨特需求封裝成帶有Avalon接口的模塊，就可以集成到FPGA系統(tǒng)中，與其他通用部件協(xié)同工作。根據(jù)對芯片組功能的分析，利用SOPC工具，采用模塊化的方法設(shè)計并實現(xiàn)了基于FPGA的芯片組，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，SYSAD2Avalon模塊實現(xiàn)了SYSAD總線到Avalon總線的轉(zhuǎn)換。龍芯2E處理器可以通過此模塊主動地訪問芯片組內(nèi)的寄存器等資源，也可以連接到RapidIO, ETH等模塊，實現(xiàn)對外I/O通信。同時，由于龍芯2E處理器的2個特點：(1)集成了內(nèi)存控制器；(2)系統(tǒng)總線(SYSAD)分為Master和Slave狀態(tài)，支持外部設(shè)備和DDRSDRAM的直接通信，因此SYSAD2Avalon模塊又可以將處理器掛載的內(nèi)存在Avalon總線一側(cè)映射為一段地址空間，允許其他模塊主動訪問龍芯2E 的存儲空間。這種互易的主從關(guān)系決定了該模塊在Avalon總線一側(cè)同時具有一個主接口和一個從接口。在這種結(jié)構(gòu)下需要注意的是，在系統(tǒng)設(shè)計時必須采取一定的保護措施，保證龍芯2E的內(nèi)存免于錯誤或惡意的外部訪問。

    圖中陰影部分的NiosII處理器和片內(nèi)存儲器可以方便地測試、驗證其他部分，而在AMC模塊接入ATCA系統(tǒng)后，可以將其移除，不會影響芯片組的功能。

    4.2 RapidIO

    RapidIO是一種高性能、低引腳數(shù)、基于包交換的系統(tǒng)級互聯(lián)協(xié)議。面向多種嵌入式互聯(lián)應(yīng)用，其目標是建立緊耦合系統(tǒng)內(nèi)的一種開放式互聯(lián)標準，主要是指芯片到芯片和電路板到電路板之間。主要針對的應(yīng)用目標包括單片機、DSP、存儲器、網(wǎng)絡(luò)/通信處理器等。RapidIO目前支持存儲器映射I/O、端口訪問、系統(tǒng)維護和Cache一致性等6類十余種通信事務(wù)，可以支持的編程模式包括存儲器映射、基于端口的消息傳遞和全局共享存儲器。各種通信事務(wù)的絕大部分功能由硬件完成，對軟件是透明的。

    RapidIO協(xié)議共有3層層次結(jié)構(gòu)，從高到低依次為：

    (1)邏輯層

    定義數(shù)據(jù)包格式及端點設(shè)備發(fā)起并完成1 次事務(wù)的必要信息。RapidIO交換機無須解釋流經(jīng)的數(shù)據(jù)包，采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計很容易實現(xiàn)未來擴展協(xié)議的兼容性。

    (2)傳輸層

    定義RapidIO的地址空間并為數(shù)據(jù)包在端點設(shè)備間傳輸提供必要的路由信息。

    (3)物理層

    描述設(shè)備級接口，明確說明數(shù)據(jù)包傳輸機制、流控機制、電氣特性和底層錯誤處理。物理層包括8位/16位并行接口標準和1×/4×串行接口標準。

    ATCA規(guī)范中支持的物理層接口為串行RapidIO。FPGA實現(xiàn)串行RapidIO接口有2種方式：(1)在內(nèi)部實現(xiàn)完整的3 層協(xié)議的功能；(2)FPGA 實現(xiàn)上面2層，由外置的串行收發(fā)器實現(xiàn)物理層的功能。選用何種方式取決于FPGA是否內(nèi)置了串行收發(fā)器。為了使電路設(shè)計簡潔，選用了內(nèi)置串行收發(fā)器的Stratix II GX型FPGA。這種器件專為高速串行通信設(shè)計，內(nèi)置的收發(fā)器可以支持高達6.375 Gb/s的速率。在高頻率的條件下，收發(fā)器的性能、設(shè)置和電路設(shè)計都會影響性能表現(xiàn)甚至功能實現(xiàn)。因此， 在接收端測量了模塊進行3.125 Gb/s串行RapidIO通信時的眼圖，見圖3。

    可以看出，收發(fā)器被設(shè)置為引入一定幅度的波形預(yù)加重，這樣可以更好地抵抗高頻衰減。眼圖張開的幅度滿足RapidIO規(guī)范要求的接收端200 mV的差分信號幅度。

    最終設(shè)計的模塊如圖4 所示。

圖4 龍芯2E處理器AMC模塊

    4.3 軟件部分

    為了支持功能應(yīng)用的實現(xiàn)， 該處理器模塊配備了由BIOS(Basic I/O System)和Linux操作系統(tǒng)組成的軟件平臺。

    龍芯2號系列處理器的各種開發(fā)系統(tǒng)一直采用PMON作為BIOS，它具有功能強大、可擴展性好的優(yōu)點。PMON作為最常用的MIPS處理器的BIOS，只要一個串口、512 KB ROM、128 KB RAM就能實現(xiàn)全部特性。它不僅支持BIOS啟動配置、內(nèi)核加載，還支持程序調(diào)試、內(nèi)存寄存器顯示和設(shè)置、內(nèi)存反匯編等。在實際工作過程中，PMON首先對處理器和芯片組進行初始化，通過設(shè)置板級相關(guān)的寄存器對系統(tǒng)中的設(shè)備進行配置，然后從Flash存儲器中加載操作系統(tǒng)。由于PMON是與硬件結(jié)合最緊密的軟件，因此同時可以作為硬件調(diào)試的有力工具。

    操作系統(tǒng)采用了經(jīng)過裁剪的2.6.18版Linux內(nèi)核。由于RapidIO系統(tǒng)在啟動時會對所有節(jié)點進行枚舉，因此采取在內(nèi)核中集成RapidIO驅(qū)動程序的方式。目前，Linux開發(fā)者已經(jīng)設(shè)計了針對RapidIO網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動程序，沿用已有的構(gòu)架，并針對自己的設(shè)備進行了移植。RapidIO互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上的Linux系統(tǒng)主要由4 個部分組成：

    (1)主端口(Master Port)

    Linux通過主端口向RapidIO 網(wǎng)絡(luò)進行各種通信事務(wù)。

    (2)設(shè)備(Device)

    設(shè)備是RapidIO網(wǎng)絡(luò)中定義的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

    (3)交換機(Switch)

    交換機是一種特殊的設(shè)備，用于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間通信的數(shù)據(jù)。

    (4)網(wǎng)絡(luò)(Network)

    網(wǎng)絡(luò)是指由節(jié)點和交換機組成的互聯(lián)系統(tǒng)。

    每個部分分別被定義成一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于對硬件的抽象。RapidIO規(guī)范規(guī)定了系統(tǒng)初始化時發(fā)現(xiàn)和枚舉的算法和過程，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在此過程中進行初始化，完備描述了整個網(wǎng)絡(luò)的情況。

    RapidIO子系統(tǒng)同樣基于2.6版的Linux內(nèi)核設(shè)備模型(Lniux Device Model)。在實現(xiàn)過程中，需要將一條RapidIO總線注冊到子系統(tǒng)中，然后每一個設(shè)備再注冊為該總線的一個子節(jié)點。這一點與傳統(tǒng)的PCI總線設(shè)備相同。而特有的match和dev attrs函數(shù)分別實現(xiàn)了設(shè)備識別和寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射的功能。

5、結(jié)束語

    本文所述的模塊在主頻759MHz的龍芯2E處理器條件下運行穩(wěn)定，軟硬件協(xié)同工作正常。在ATCA系統(tǒng)中，與其他具有RapidIO接口的設(shè)備，包括Freescale公司的多款PowerPC處理器、FPGA和RapidIO交換芯片通信正常。實際應(yīng)用表明，該模塊擴展了龍芯系列處理器的用途，是對高性能計算系統(tǒng)國產(chǎn)化進行的有益嘗試。

    為了使設(shè)計更加實用，今后將在以下2個方面進行深入的研究：

    (1)適當調(diào)整任務(wù)負載、工作頻率，對模塊在各種條件下的功耗、可靠性等指標進行完備的測試。

    (2)目前FPGA作為芯片組只應(yīng)用了其I/O接口的功能，其邏輯資源還有較大余量。完全可以針對特定任務(wù)進行開發(fā)，使FPGA同時成為協(xié)處理器，分擔處理器的工作，這將大幅度提高模塊的整體性能。

    致謝 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所龍芯技術(shù)服務(wù)中心提供的技術(shù)支持和資料對本項目有很大的幫助，在此向他們表示衷心感謝。