摘 要： 給出一款基于Intel ATOM處理器的工業(yè)控制系統(tǒng)的設計方案，并對Menlow平臺架構、系統(tǒng)電源、時鐘、音頻、視頻、BIOS等實現(xiàn)要點作了深入闡述。經(jīng)過測試應用，該系統(tǒng)各項性能指標均達到設計要求。
關鍵詞： ATOM處理器； Menlow； BIOS； LPC總線
ATOM處理器采用突破性全新設計的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)設備、低功耗移動互聯(lián)網(wǎng)計算機、基礎互聯(lián)網(wǎng)臺式機，以及對功耗要求苛刻的工業(yè)應用場合[1]。
本文針對工業(yè)控制系統(tǒng)小體積、低功耗的應用需求，利用Intel最新的低功耗移動ATOM處理器特點，提出一整套工業(yè)控制系統(tǒng)設計方案。
1 平臺架構
Intel定義的“迅馳Atom處理器技術”整套平臺包括Intel Atom處理器（Silverthorne和Diamondville）、低功耗“伴侶芯片”（橋芯片）以及超薄超輕的設計。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)平臺應用，本文采用的是Menlow平臺的實現(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]。
本設計中采用單通道內(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、開關機控制則通過LPC總線擴展實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖[5]如圖1所示。
2 系統(tǒng)電源的設計
電源是ATOM系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié)，難度在于：(1)因為要給多個功能模塊供電，需要采用很多開關電源，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換效率。ATOM處理器主要用在便攜式的應用場合，在選用器件時，不但要保證功率足夠，還要經(jīng)濟高效。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，導致系統(tǒng)散熱成本的增加。
在本設計中，利用LT4100實現(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。該芯片主要是負責給EC供電。EC一旦檢測到開機按鍵信號，就產(chǎn)生開機脈沖POWEREQ#，LT3780開始工作，電源管理電路開始運行，后續(xù)電路依次使能。設計中選用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、輸出電壓動態(tài)可調(diào)，深睡眠設置等。SC454使用了遲滯控制技術，比傳統(tǒng)的PWM控制器有著更快的反應速度。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)動技術通過軟開關控制上下兩側的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，關閉系統(tǒng)。SC454根據(jù)處理器負載情況調(diào)節(jié)核心電壓，負載上升時，逐步下降電壓，從而能夠使高負載狀態(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。在實際應用過程中，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。關機次序則相反。本項目采用CPLD實現(xiàn)了電源的開關機和低功耗處理，包括進操作系統(tǒng)后的關機、待機、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數(shù)量的電源塊。每個電源塊都應保證足夠的面積以負荷工作電流，而且擁有各自獨立的返回地線以有效避免不同電源之間的干擾。其次還應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 時鐘拓撲
系統(tǒng)所需要的各種時鐘信號由時鐘發(fā)生器ICS9UMS9001 產(chǎn)生，特點如下:專為超級移動PC（UMPC）設計的時鐘芯片，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。本設計中，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、待機等情況時，同步進入低功耗模式。
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。在本設計中，在外部擴展了一片符合 HD Audio規(guī)范的 CODEC 編解碼芯片 ALC888，即可實現(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。本設計中液晶顯示屏選用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)實際應用的需求，擴展了一路DVO的接口。
6 外部接口
網(wǎng)絡控制芯片選用了Realtek瑞昱公司64Pin LQFP封裝的RTL8111，該片基于PCI-Express接口，真正解決了目前標準PCI接口對于千兆網(wǎng)卡帶寬不足的問題。集成了10/100/1000轉換器，支持遠程喚醒和網(wǎng)絡喚醒，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均衡器的PCIE物理層，PCB布線長度可以達到40英寸，設計使用很方便。
Pouslbo只支持PATA口。本設計中采用JM20330實現(xiàn)SATA/PATA轉換，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。本設計中，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、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。本設計中，選用的LPC外部嵌入式芯片為IT8513，主要負責外接鍵盤、電池電量、系統(tǒng)指示燈、開關機操作并通過ADM3202實現(xiàn)電平的轉換，擴展引出兩路串口。系統(tǒng)BIOS芯片也掛接在LPC總線上。上電開機后，由橋片提供時鐘，讀BIOS固件內(nèi)容，引導系統(tǒng)啟動。
系統(tǒng)BIOS采用 Phoenix BIOS 6.0源代碼軟件包，在此基礎上進行二次開發(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、基本的中斷服務例程、 系統(tǒng)BIOS設置和引導加載。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備的正常工作，從而使得系統(tǒng)正常運行。如圖5所示。
對于低功耗平臺來說，性能已經(jīng)不是衡量的唯一標準，甚至不是最重要的標準，而低功耗和低發(fā)熱量才是最大亮點。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。實測系統(tǒng)板在帶固態(tài)硬盤不接屏、運行WindowsXP操作系統(tǒng)時，平均功耗為5.96 W，待機為5.6 W。帶屏測時，平均功耗為9.39 W，待機為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。整機體積較小，實際尺寸為10 cm×6 cm。
整機測試中，系統(tǒng)可以在WindowsXP操作平臺上連續(xù)穩(wěn)定運行 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)已成功應用到客戶的便攜式移動計算機系統(tǒng)中，通過了軍方組織的高低溫、淋雨、振動、跌落及沖擊試驗，穩(wěn)定性符合要求。性能也達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，本主板在浮點運算、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，達到了原定各項性能指標的設計要求。
參考文獻
[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的設計與實現(xiàn)[J].微電子學與計算機, 2005,22(11):1132,115.