基于兆芯X86 架构处理器的国产化CPCI 主板设计

王浩宇

（四川省绵阳西南自动化研究所， 四川 绵阳 621000）

0 引言

根据统计数据显示自2013 年起集成电路已超过原油成为我国第一大进口商品，至2018 年集成电路进口规模已超3000 亿美元。 其中CPU 及存储器两类占70%份额。 处理器以Intel、AMD 的X86 架构为主。

X86 架构处理器以其强大的性能、友好的人机交互、良好的软硬件生态环境优势被广泛地应用于个人计算机、工业控制、党政办公系统、军用计算机等领域。

随着我国的快速崛起，国际形势也随之变化，而我国对国外以处理器为代表的集成电路的高度依赖， 导致在该领域有随时被“卡脖子”的可能，严重威胁到国家的安全战略。

目前国内通过IP 授权的方式取得X86 处理器研制生产的厂商有两家， 分别是兆芯及海光。 从而实现X86架构处理器国产化。

本文对基于兆芯X86 处理器并搭载外围国产化电路实现全国产化的一款CPCI 工控主板实现方案进行介绍。

1 兆芯处理器介绍

兆芯X86 处理器自2015 年第一款ZX-C 系列处理器量产以来， 经过4 年的积累， 产品迭代， 最新处理器ZX-E 系列已可对标7 代I5 桌面版。

兆芯处理器广泛地应用于安可系统、银行系统、党政办公系统等专用领域。 兆芯公司同时拥有CPU、芯片组及GPU 的IP，其硬件生态比较完整。 昆仑、百敖及AMI 均能对兆芯处理器进行BIOS 支持。

目前兆芯处理器分为开先及开胜两条产品线。 开先应用于PC 机、笔记本、工业控制及嵌入式等领域，开胜主要应用于服务器、存储等领域。 考虑到本主板的应用方向选择了开先处理器。 开先处理器包括ZX-C、ZX-C+、KX-5000 及KX-6000 四大系列。 本文选择功耗、性能较为均衡且支持XP 操作系统的ZX-C+处理器C4701，并搭载桥片ZX100S。

2 主板详细设计

如图1 所示本主板以兆芯处理器C4701 加桥片ZX-100S 搭建最小系统，并在外围搭配接口芯片扩展出以太网接口、串口、USB 接口、VGA 显示等，实现系统间数据交互及人际交互等功能， 通过PCIE to PCI 桥扩展出一路PCI 总线实现系统内部数据传输。

图1 主板系统框图

2.1 电源设计

兆芯平台的电源设计主要包含两个方面， 第一是时序设计、第二是CPU 核电源设计。 下面分别对上述两点进行说明。

2.1.1电源时序设计

本设计中有严格时序要求的是处理器C4701 及桥片ZX-100S。 其中处理器仅3 路电源VCC、VCCA 及VCCP，上电时序要求为VCCA 与VCCP 同时上电，VCCA 与VCCP 在VCC 之前或者一起上电。 在本文中选择VCCP 及VCCA 先于VCC 上电。

ZX-100S 电源多大13 种，上电时序较为复杂，其时序如图2 所示。

图2 ZX-100S 上电时序图

2.1.2 CPU核电源设计

本文设计一片国产PWM 信号调试器PT9528 替换ISL6262。 PT9528 与ISL6262 指标一致， 封装及信号定义PIN TO PIN 兼容。在外围电路存在差别，具体如图3 所示。

2.2 内存设计

ZX-100S 集成两个64bit DDR3 控制器，最高带宽可达1600MT/s。 本文通过其中一路通道扩展2GB 板载内存颗粒，另一通道引出一路SO-DIMM 内存接口。

图3 处理器核电源电路图

内存设计中较为重要的是时序控制及阻抗控制。 其约束条件如下：

表1

2.3 PCIE 接口设计

ZX-100S 集成了19 条高速收发LAN，最高可配置为6 个PCIE 端口。 该配置在BIOS 中实现。 本文中配置出3路X1 PCIE 接口加1 路X2 PCIE 接口扩展出1 路PCI 总线及3 路10/100/1000M 以太网接口。 其中X2 接口可作为1 路X1 接口使用。

本文中选用PCIE TO PCI 桥片SM8122 实现PCI 总线的扩展。 由于SM8112 仅支持4 路仲裁信号，扩展出7路标准PCI 外设则需要增加仲裁信号。 增加仲裁信号有两种方式，第一是通过CPLD 实现外部仲裁器，第二是使用一片PCI TO PCI 桥片SM2050 实现仲裁信号的扩展。本文采用CPLD 实现外部仲裁器的方式扩展仲裁信号。

以太网控制器选择JEM82573。

2.4 串口设计

ZX-100S 集成了4 路UART 接口，本文中使用串口0及串口1 连接RS232 物理芯片SM3232 扩展出两路RS232 接口。串口3 作为调试接口，在调试阶段可在BIOS代码中控制输出调试信息，提高Debug 效率。

3 UEFI BIOS 启动流程介绍

BIOS 在X86 体系中作为软硬件连接的桥梁，其地位无可替代。 图4 是基于UEFI 协议的BIOS启动流程。 UEFI 架构的平台开机由POWERON 开始经历SEC、PEI、DXE、BDS、OS Loader 以及RUNTIME 五个阶段。

图4 BIOS 启动流程图

SEC 阶段：平台开机后即进入SEC Phase，此阶段完成从实模式到保护模式的转换，完成内存的初始化，为后续C 代码的运行提供环境。

PEI 阶段：PEI Phase 会找到BIOS 中所有的PEIM 并根据dependency 来安排调用他们的顺序， 这些PEIM 主要完成PCI 总线， 南北桥设备的基本初始化， 创建一个HobList 传输给DXE Phase。 最后调用DxeIpl 进入DXE Phase。

DXE 阶段：DXE Phase 包含DXE Core，DXE Dispatcher，DXE Driver，DXE Core 会 根 据Dependency 用DXE 调度器安排DXE 驱动的执行顺序。 此阶段用来初始化平台并启动OS 提供一些必要的服务。

BDS 阶段：BDS Phase，即启动设备选择阶段，此阶段会初始化好控制台设备，并且装载所有Driver，并初始化好启动顺序，并选择默认启动项进行启动。

OSLoader： 系统装载器， 主要任务是执行一个Exit-BootServices（）的服务，来结束BDS Phase，并把系统控制权交给OS， 此后BootServices 将无效， 只有RuntimeServices 可以使用。

Runtime Phase：OS 掌控整个系统， 此时UEFI OS 将只能使用UEFI 提供的RuntimeSerivices，而不能使用UEFI 的BootServices。

4 结束语

本文中提出一种基于兆芯公司X86 处理器的全国产化CPCI 主板解决方案。 可在工控、军用嵌入式计算机实现对基于INTEL 处理器的CPCI 主板实现软硬件无缝、快速替代。 消除“卡脖子”战略安全隐患。