摘要：文章介绍了为探索国产多核处理器在军用电子系统上的应用，而采用国产龙芯3A多核处理器及相关桥芯片，配以VXWORKS操作系统和图像处理等软件进行的军用电子系统应用设计;该系统具有图像处理、串口、SATA、网口、USB等多种接口和PMC接口扩展等多种功能。能够通过USB接口输入视频图像，采用软件算法进行多核图像实时处理，VGA接口进行视频输出显示;为满足军用电子系统的综合化、集成化、小型化、低功耗和国产化等要求提供了设计参考。
引 言
多核处理器，具有多核冗余和并行处理各线程而不挂起、体积小、集成度高等优点，能够适应军用嵌入式系统集成化、小型化和低功耗的发展需求，因而在军工应用中有着特殊的价值;P2020多核处理器在某航空综合数据处理模块上已有成功应用。
本应用采用国产龙芯3A多核处理器，通过分核实时处理进行PMC子卡数据处理和视频图像的并行处理，通过桥片扩展，实现了网口、串口、USB、SATA以及VGA等外围接口的通信传输功能;能通过USB2.0接口对传入的视频图像和PMC插座传入的PMC数据并行分核实时处理，并将处理结果分别通过VGA接口和PMC插座实时输出。随着芯片技术和应用水平的不断发展，国产多核处理器将为军用系统国产化需求提供强有力的保障。
1 系统设计要求
本系统需要通过USB2.0接口接收视频图像，经多核处理器处理后从VGA口输出，通过标准PMC接口能够实现接口扩展和数据处理功能。并具有USB、串口、网口以及SATA接口通信扩展传输功能。
2 系统构架
本设计采用龙芯3A处理器的多核特性，分配核1、核2分别进行PCI总线扩展和视频图像处理双重功能;通过网口芯片GD82551扩展实现网口功能。本项目通过HT接口扩展AMD公司的北桥芯片RS780E，实现VGA显示接口扩展，通过PCIE进行南桥SB710芯片扩展实现了USB2.0以及SATA接口的扩展。
RS780E是AMD推出的北桥芯片，支持多核功能、片内集成图形图像功能，具有多个显示接口，支持不同的刷新率，支持高速HT3接口和PCIE扩展功能。SB710是与RS780E配套的南桥芯片，支持USB、SATA以及PCIE功能。
视频图像经USB接口输入存储到SATA扩展存储盘中，后经龙芯3A多核处理器进行字符叠加、亮度、对比度调节等处理后从北桥上的VGA接口输出，通过龙芯3A自带的GPIO接口进行离散量及中断信号的输入输出，通过两路串口进行调试显示。其系统组成框图如图1所示。
3 详细设计
3.1 龙芯3A处理器简介
龙芯3A处理器是龙芯多核系列的第一款产品，采用65nm工艺制造，在单个芯片内集成了4个64位超标量通用处理器核，最高工作主频为1GHz，单颗最大功耗15W，能效比1.06Gflop/W。是X86系列处理器的2倍。主要特征如下：
(1)片内集成四个64位四发射超标量GS464处理器核;属可实现64位MIPS64指令集的通用RISC处理器。其指令流水线每个时钟周期取四条指令进行译码，并动态地发射到五个全流水的功能部件中;
(2)片内集成四核共享的4MB二级Cache;
(3)集成2个64位400MHz的DDR2/3控制器;
(4)集成2个16位800MHz的HyperTransport控制器;
(5)片内集成32位33MHz PCI/PCIX;
(6)片内集成一个LPC、两个UART、1个SPI、16路GPIO接口;
(7)支持多核芯片通过HyperTransport接口互连和跨芯片的全局Cache一致性;
(8)运行主频最高为1GHz，设计实现为800MHz，可配置。
3.2 多核选择
龙芯3A处理器芯片整体构架基于两级交叉开关的方式互联实现如图2所示。
第一级互连开关采用6×6的交叉开关，用于连接四个CPU(作为主设备);每个IO端口连接一个16位的HT控制器，每个16位的HT端口也可作为两个8位的HT端口使用。HT控制器通过一个DMA控制器和一级互联开关相连，DMA控制器负责IO的DMA控制并负责片间一致性的维护。
第二级交叉开关采用5×4的交叉开关，连接4个二级Cache模块(作为主设备)，四个二级Cache模块(作为从设备)以及两个IO端口(每个端口使用一个Master和一个Slave)，交叉开关连接两个DDR2内存控制器、低速高速I/O(包括PCI、LPC、SPI等)以及芯片内部的控制寄存器模块。
通过设置两级交叉开关寄存器实现了核1、核2分别完成PMC子卡数据处理和视频图像的并行处理功能。采用读、写分离的数据通道，数据通道宽度为128bit，工作在与处理器核相同的频率，用以提供高速的片上数据传输。
3.3 存储电路部分
采用两片具有LPC接口的FLASH存储器SST49LF080B分别连接于龙芯3A的处理器的LPC接口，用于存放龙芯的PMON程序;采用两片ST公司的串行SPI FLASH存储器S25FL128SAGMFIR11存放操作系统和测试程序，使用HT1接口连接北桥芯片进行VGA接口扩展，再通过北桥的HT接口连接南桥的HT接口进行USB和SATA口的扩展，外接SATA FLASH存放视频等相关数据;采用2块DDR3SDRAM存储器MT41J128M16HA-125IT实现，容量各为2G，用于构建内部存储器。
3.3.1 FLASH存储器电路
该模块采用三片FLASH，其中SST49LF080A为具有LPC接口，容量为8Mbit(1024k×8(8Mbit))的FLASH芯片，用于存储PMOON程序，可采用并口进行擦除;另两片具有SPI接口的FLASH芯片S25FL512SAGMFIR11为组合构成64Mbyte存储空间用于存储操作系统程序：采用SATA NANDrive FLASH电子盘进行FLASH扩充存储。
3.3.2 DDR2/3 SDRAM存储器
龙芯3A多核处理器内置两个DDR2/3 SDRAM存储器控制器，提供DDR3的时序控制逻辑，并且提供DDR3的访问时钟，CPU和PCI主设备都可以访问DDR3 SDRAM。
本方案采用256MB容量的DDR3存储颗粒MT41J128M16HA-125IT实现，工作电压为1.5V，最高工作频率667MHz。
为了在系统中支持不同的DDR3 SDRAM颗粒，DDR3 SDRAM需要在加电复位后配置，内存初始化顺序如下：系统复位期间，所有寄存器内容将清除为缺省值;接着系统复位释放，接着向配置寄存器地址发64位写指令，配置所有29个配置寄存器。此时如果写CTRL 03，应将其中参数START设为0。所有寄存器都必须正确配置才可以正常工作。再向配置寄存器CTRL 03中发64位写指令。此时应将参数START设为1。结束后内存控制器将自动对内存发起初始化指令。
3.3.3 存储器地址分配
龙芯3A处理器的系统物理地址分布采用全局可访问的层次化寻址设计，以保证系统开发的扩展兼容。整个系统的物理地址宽度为48位。按照地址的高4位，整个地址空间被均匀分布到16个节点上。龙芯3A采用单节点4核配置。
在每个节点的内部，44位地址空间又进一步均匀分布给节点内连接的可能最多8个设备。其中低43位地址由4个2级Cache模块所拥有，高43位地址则进一步按地址的[43：42]位分布给连接在4个方向端口的设备上。不同于方向端口的映射关系，可根据实际应用的访问行为来决定二级Cache的交叉寻址方式。节点内的4个2级Cache模块一共对应43位地址空间，而每个2级模块所对应的地址空间根据地址位的某两位选择位确定，并可以通过软件进行动态配置修改，其存储器空间分配地址如表1所示。
3.4 接口设计
本系统提供10MB/100MB快速以太网接口，通过龙芯3A芯片控制GD82551网口芯片扩展实现;采用处理器片内集成的UART串行调试接口提供串行通讯接口，最大速率等可以通过芯片内部进行设置;处理器包含16个GPIO通用I/O可作为离散量接口，该模块的1路外部离散量输入信号，3.3V电平GSE#，功能由软件定义。
此外，龙芯3A提供了一个兼容JTAG的边界扫描的EJTAG接口用于测试处理器引脚是否被正确连接用于调试底层应用软件;通过南桥上的SATA接口进行机载PMC子卡与视频图像处理模块的电子存储盘扩展;PMC数据通过专用的PMC插座进行输入输出，USB接口可以进行视频图像的输入以及USB设备的连接，VGA接口进行处理后的视频信息的显示。
3.5 电源电路
龙芯3A处理器所需的电源有：1.1V、3.3V、1.8V、0.9V、2.5V、1.7V共六种。采用5片LTM4616芯片配置高精度电阻输出实现，LTM4616芯片的输出配置公式如下：
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