现代嵌入式计算 - 第16章 - 设计实例 (第一部分)

设计实例

冒着本章内容在您阅读之时已过时的风险，但是我们认为本书至少有一章讲述某个特定的处理器和相应的设计实例。为了这目的，本章选择英特尔Atom处理器E6xx系列，和平台扩展接口设备，被称为平台控制器集线器的接口设备。
作为嵌入式系统程序员，你应该能看懂硬件原理图。你也许并不需要了解详细的时钟或电源控制等方面
的内容，但至少你必须理解硬件模块：哪些接口用于连接器件，哪个GPIO管脚被连接到LED，等等。最好能够参考的原理图，而不是描述平台的高级别文件;这些文件可能包含错误，而阅读原理图就像是在看源代码。在很多设计案例中，您被期望能够理解设备功能的细微之处，而不只是规格书中的特性列表。

1. INTEL ATOM E6XX系列平台

基于Atom的英特尔E6xx系列处理器是很大一个家族。在嵌入式领域，制造商通常在一个芯片家族推出一系列的型号。这些型号基于同一个CPU，但是不同的频率范围，不同的I/O特性和加速功能。这个家族通常先推出速度较慢的处理器，逐渐增加功能和性能。E6XX系列芯片情况类似，细节如下。
作为系统设计人员或软件工程师，设计时考虑平台的可扩展性是很重要的，尤其是在CPU的性能方面。
E6xx系列芯片功能如下：
•其中英特尔凌动核心：600兆赫，1GHz的，1.3GHz的，和1.6GHz的
•32 KB一级指令缓存和24KB1级数据缓存
•512 KB二级缓存
•两个硬件线程
•PCIe
•内存速度DDR2800，最大2GB，1通道，32位接口
•CPU的虚拟化支持：Intel虚拟化技术（IntelVT-x）
•先进的电源管理功能
•深度节能技术（C6）
•英特尔SIMD流指令扩展2和3（英特尔SSE2和SSE3英特尔）及SIMD补充扩展3（SSSE3）
•平板印刷术：45纳米

1.1架构概述

在这本书中，我们已经详细说明SOC中各功能模块。本节，我们简要地描述E6xx系列的接口参数。
图16.1所示的SOC框架，一个集成的存储器控​​制器，英特尔2D/3D图形引擎，双屏显示，视频编码器/解码器功能。它也包括所有的必需的功能，如中断控制器，计时器，看门狗，实时时钟，ACPI控制，等等。该平台可运行所有传统的IA-32操作系统。
和所有的Intel平台，IO与处理器缓存的一致性被维护。内部的一致性结构(InteranlCoherent
Fabric)协调IO与内存和CPU缓存的数据交换。
集成的2D/3D图形引擎，在一个硬件加速器中执行像素着色和顶点着色。像素的处理被推迟，直到它们被确定是可见的，从而最大限度地减少对内存的访问并提高渲染​​性能。图形引擎和显示控制器都使用系统内存。以下列出3D图形引擎的关键特点：
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图16.1 E6XX系列SOC。

硬件视频解码器支持MPEG2，MPEG4，VC1，WMV9，H.264，视频编码器引擎支持MPEG4，H.264和H.263。它支持LVDS和串行DVO显示端口。

该SOC支持高清音频接口。该接口可以支持最多四个多声道音频流。音频流中的每个信道可以支持32位的采样深度，以及高达192kHz的采样率.

SMBus主机接口允许处理器连接SMBus从设备。此接口也与大多数I2C设备兼容。

一个SPI接口，可用于引导处理器。BIOS固件必须存放在SPI连接的闪存设备里。

该SOC有14个通用I/
O引脚（GPIO）。

提供了JTAG接口用于JTAG调试器调试，如第17章所述。

一个关键的扩展功能是，提供PCIe接口来扩大SOC的功能。
它提供了四个x1通道的PCIExpress端口，支持PCIExpress基本规范1.0a版。四个x1PCIe端口
作为四个独立的PCIe控制路径。

另外，大多数SOC内部模块，那些需要对软件可见的模块，逻辑上表示为PCI设备，挂载在PCI总线零上。他们都是PCI根集成端点。图16.2显示了SOC内PCI设备，与来自外部可能的PCI设备。

2. 平台控制器集线器

E6XX系列芯片的一个关键理念是，可通过标准的PCIe接口扩展平台的能力。写本书的时候，市面上有一些来自不同供应商的用于不同目的的扩展设备。这里的目的不是复制芯片规格书，但列出这些接口的关键属性。

2.1英特尔平台控制器集线器EG20T

英特尔平台控制器集线器用于普通嵌入式设备。它的功能包括以下内容：
•PCIe，连接到主处理器的接口
•USB主设备接口，EHCI1.0接口，OHCI1.0a
接口，六个端口（2个USB2.0主机，每个主机三个端口）;支持高速（480Mbps），全速（12Mbps），和低速（1.5Mbps）。
•USB从设备接口，符合USB2.0和USB1.1协议。
•千兆以太网媒体访问控制器;符合IEEE802.3
•SATA，SATA第一代1.5Gbps和第2代3Gbps
•安全数字主机控制器
•串行外设接口（SPI），达5Mbps
•控制器区域网络（CAN），CAN协议版本2.0B，比特率高达1Mbps
•I2C总线控制器，飞利浦I2C总线规范2.1;标准模式（100kHz）和快速模式（400千赫）
•UART串口
•GPIO：12位通用I/
O口。输入或输出，可对每个端口分开指定。每位都可用于中断。
•JTAG，支持边界扫描模式
•串行ROMI

如图16.3显示了所列功能



图16.3 EG20T
平台控制器集线器

其他一些半导体厂商提供的PCH（平台控制器集线器）设备。

2.2 OKI半导体的ML7213和ML7213V

该设备主要用于车载信息娱乐领域。支持PCIExpress 1.1，USB2.0主机，USB2.0主机/设备
可切换（仅适用于ML7213），SD主（SDIO），SATAII，千兆以太网（MAC），串口，SPI，
I2C，I2S和GPIO。

应用领域特定功能如下：

•时分多路复用接口（支持多声道音频串行端口，一个流行的，用于连接数字信号处理器的接口）
•面向媒体的系统传输接口（MOST）
•安全加速算法：3DES，AES，SHA1/
265 / MD5
•BT656 / RAW视频捕捉输入
•数字RGB输出和SDVO输入

2.3 意法半导体

意法半导体开发的面向车载信息娱乐的芯片。该芯片功能包括，如控制器局域网（CAN），以太网AVB（音频视频桥接），和面向媒体的系统传输（MOST）。该器件也支持传统的接口如USB和SATA。
CAN用于汽车的健壮的慢速网络;它用于汽车内部嵌入式控制器之间交换信息。
以太网音视频桥接技术（简称EthernetAVB）是一项新的IEEE802标准，适合汽车环境下提供高性能的网络服务，以支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。
MOST，利用光导纤维作为信息传导媒介，进行数字信号的传输。
这些用于音频和视频分发的网络的关键属性都有支持。

2.4
具体的设备扩展
很多时候您并不需要使用平台控制器集线器。英特尔AtomSOC提供标准的PCIe接口，几乎所有的PCIe分立器件都可添加到该平台上。例如，矽映半导体的SiI3132SATALink可以挂载到PCIe接口上，提供2端口SATAII控制器。该器件焊接在平台上或设计为一个子电路板，通过迷你PCI或PCI接口连接。用PCIe模块的形式给平台增加无线功能是最常见的方式。开发一个无线模块，需要专门的无线技能，购买无线模块加入嵌入式平台是最简单的。

2.5 FPGA扩展

大多数FPGA设备都包含PCIe接口能力，您只需添加需要的特定功能。这是在嵌入式系统中使用得非常普遍的扩展方式。英特尔发布的E6x5C系列，就包含一个E6XX英特尔Atom处理器，和一个预制的FPGA模块，如图16.4所示。
该FPGA包含一个PCIe硬IP模块。PCIe硬模块，指的是集成在FPGA中不可修改的模块，它没有使用任何配置资源。该模块之后的FPGA逻辑提供了配置扩展资源。在某些情况下，单个PCIex1通道可能不满足带宽要求，这时需要增加PCIe逻辑，称之为软IP，该PCIe端点需要使用FPGA里的配置单元。
图中，PCIeHIP: PCIe
硬IP模块; PCIe
SIP:PCIe 软IP模块