龙芯2F处理器评估板的设计与实现

论文摘要

龙芯2F处理器是一颗正准备量产且大规模应用的高性能通用处理器芯片。与外围专用器件的应用相比,龙芯2F有接口频率高、板级设计难度大、应用领域广的一系列特点。该论文的目的就是在充分理解龙芯2F体系结构、接口规范和电气特性的基础上,研制具有高性能及丰富接口的龙芯2F评估板,给用户提供一个可靠的基于龙芯2F处理器的性能评估和二次开发的硬件平台,且通过评估板的研制,给出了在龙芯2F处理器的板级设计中各关键模块的设计方法和各环节的设计流程,给后来的开发者提供一个基于龙芯2F处理器的可靠的板级参考设计。在评估板的架构和原理图设计中,结合系统的功能和设计要求,制定出硬件实现的板级架构,且根据各模块的预期功能进行芯片选型和模块设计,进而根据评估板的系统资源特点和各模块的需求进行系统资源的设计和分配,从而完成整体的原理图设计。其次,在PCB设计中,为使关键信号的信号质量达到最优,提出了前期约束后期仿真的布线机制,前期在分析信号完整性问题的主要成因及常用的解决方法的基础上,结合评估板各接口的信号时序及电气特点,制定出整板PCB设计约束,进而在约束的指导下完成布局布线;后期对关键信号进行仿真,根据仿真结果调整电路参数和布线约束,以最优化关键信号的信号质量,实践证明该机制提高了高速信号系统板级设计的可靠性。再次,给出了评估板的调试流程,并给出了每个步骤的调试方法和调试中常见的故障,为使板级实际的关键信号质量达到最优,测试、分析并优化了系统电源和时钟信号的信号质量,进而完成了评估板的硬件调试。最后使用Stream、Netperf、Hdparm、X11Perf和IOZone等测试软件对评估板的访存速度、网络性能、外存的访问速度、显示性能和PCI总线带宽等各项关键性能进行测试和评估。性能测试和高强度的可靠性测试结果表明,龙芯2F评估板的系统性能达到了预期的设计目标,可以作为参考样板可靠地提供给合作厂家作为性能评估和二次开发使用,且评估板设计中各关键模块的设计方法和各环节的设计流程可以作为参考设计广泛应用在其它龙芯2F处理器的板级设计中。评估板的成功设计对龙芯产业化的进程起到了一定的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 本文的目的和意义
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 系统架构及原理图设计
• 2.1 评估板系统架构设计
• 2.1.1 评估板架构设计
• 2.1.2 评估板的功能接口
• 2.2 评估板原理图设计
• 2.2.1 电源模块
• 2.2.2 系统复位
• 2.2.3 时钟模块
• 2.2.4 中断路由
• 2.2.5 内存DDR2 SDRAM模块
• 2.2.6 PCI总线接口
• 2.2.7 Local IO总线和Boot ROM
• 2.2.8 Flash器件
• 2.2.9 LPC接口
• 2.2.10 SIS315E显示模块
• 2.2.11 南桥
• 2.2.12 IDE硬盘
• 2.2.13 AC97声卡
• 2.2.14 并口
• 2.2.15 I2C总线与USB接口
• 2.2.16 RS232串口
• 第三章 评估板PCB设计
• 3.1 信号完整性问题的概述
• 3.2 评估板PCB布局布线设计
• 3.2.1 评估板PCB的尺寸
• 3.2.2 评估板PCB的叠层
• 3.2.3 评估板信号线的特性阻抗
• 3.2.4 评估板PCB布局
• 3.2.5 评估板PCB布线
• 3.3 评估板高速信号仿真
• 3.3.1 DDR2模块数据信号DQ5的后仿真
• 3.3.2 处理器PCI时钟信号的后仿真
• 第四章 系统调试和性能测试
• 4.1 评估板的调试流程和方法
• 4.1.1 焊接检查和静态测试
• 4.1.2 电源调试
• 4.1.3 时钟调试
• 4.1.4 FPGA在总线调试中应用
• 4.1.5 BIOS的加载和软件调试
• 4.2 系统性能测试
• 4.2.1 Stream访存带宽测试
• 4.2.2 NetPerf网络性能测试
• 4.2.3 外存访问速度测试
• 4.2.4 显示性能测试
• 4.2.5 PCI总线带宽测试
• 第五章 结束语
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 下一步研究方向
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简历