基于Geode TMGX1的嵌入式系统设计

关键词：信号完整性 信息家电 阻抗匹配

引言

近些年，嵌入式技术迅速发展，嵌入式应用深入金融、航空航天、电信、网络、工业控制等各个领域，并进一步渗透到日常生活领域――信息家电。信息家电市场的日益发展需要高效、灵活的嵌入式解决方案。

美国国家半导体公司（NS）的Geode TMGX1处理器是一款专门针对信息家电市场的集成处理器，具有低功耗、高性能、低价格及X86体系的兼容性与可扩展能力。GX1与其协同芯片为瘦客户机、交互式机顶盒以及个人Internet接入等信息家电应用提供了灵活、可扩展的解决方案。

1 GX1与CS5530

GX1处理器采用0.18μm CMOS工艺，典型功耗仅为0.8～1.2W（在1.6V/200MHz条件下为0.8W，在2.0V/300MHz条件下为1.2W），为X86体系中最低。除CPU内核与电源管理等通用部件外，还在片内集成了存储管理单元、视频控制单元、2D图形加速单元和PCI总线主控器，有效地提高了系统可靠性、降低器件数量。图1是其内部结构框图。

根据不同的性能与功耗要求，可以选择具有不同内核电压与工作频率的芯片，提高设计的灵活性。GX1内核为32位X86兼容内核，支持当前各种流行操作系统，可简化软件开发投资。

CS5530协同芯片除提供通用南桥芯片PCI-to-ISA桥接功能（包括Ultra IDE接口、USB接口、通用I/O接口等）外，还与GX1处理器一起提供完整的电源管理和音频、视频加速功能，并且CS5530可直接与CRT显示器和TFT显示器接口。其内部结构框图如图2所示。

2 系统原理与结构

GX1处理器采用X86体系兼容的硬件结构，故此其应用系统构成与通常PC架构非常类似。由于集成了内存控制器，GX1直接连接SDRAM模块，无需相应的北桥芯片参与。除图像数据外，作为PCI仲裁器，GX1与所有其它设备通过PCI总线连接。其与CS5530之间有专用的视频通道，用来交换视频图像数据。

CS5530兼具了部分南、北桥功能，提供了系统大部分对接口功能：音、视频接口和ISA总线接[]。系统BIOS和DOC均挂接在ISA总线上。

采用国家半导体PC97317芯片作为SUPER I/O，用来提供串行/并行接口、PS/2键盘、鼠标接口、红外接口和实时时钟功能。系统框图如图3所示。

3 关键设计问题

（1）SDRAM时钟

为了提供良好的存储器读写特性，对于SDRAM时钟有较严格的要求；

①时钟信号之间长度差小于0.13cm；

②时钟走线宽度不小于0.2mm；

③时钟走线必须在连续的地线平面之上，且必须是走在最靠近地平面的信号层。

此外，CPU的SDCLKOUT与SDCLKIN之间的时钟环回线应满足图4要求。

另外，因为SDRAM的时钟频率很高，可达到100MHz，故SDRAM信号匹配非常重要。为保证高速信号的信号完整性，对于SDRAM接口信号均应加阻抗匹配措施，我们采用10Ω电阻串联源端匹配的方式，效果良好。

（2）DOC

由于定位在嵌入式应用，虽然系统提供了IDE硬盘接口，但在最终使用时却过于庞大，也不适应恶劣的嵌入式应用环境。我们使用电子盘――DOC（Diskk on Chip）作为操作系统载体。

图5 DOC地址译码电路

DOC2000是M-System公司推出的带TrueFFS文件系统的Flash存储设备，容量从16MB到1GB；具有EPROM兼容的电接口特性和系统引导能力，支持多种操作系统，是目前广泛使用的极具成本效益的嵌入式存储载体。

DOC在系统内存占据8K窗口，必须把DOC映射到系统内存区，使系统在初始化时能扫描到DOC的引导块，从而使系统能够从DOC加载操作系统。所以，必须对其地址译码专门考虑，其译码电路如图5所示。

（3）模拟视频接口

GX1内含图形加速单元，最高支持分辨率可达到12801024（8位色）或1024768（16位色）。

CS5530内部集成视频数模转换器（VDAC），可直接支持CRT和TFT平板显示设备。基于成本考虑，我们选择使用CRT监视器，其视频接口是模拟电路部分。为保证高速视频信号的完整性和稳定传输，在设计时，需要采取以下措施：对RGB信号加并行端接阻抗匹配和滤波处理，同时加二极管保护电路。图6为其参考电路。

此外，在布线时应注意尽量与其它数字信号隔离，以减小干扰。

（4）以太网接口

由于系统要求高速联网设备，我们提供最常用的10/100M自适应以太网接口。RTL8139C是目前业界使用最广泛也是性价比较高的以太网控制器芯片。

图6 模拟视频接口电路

RTL8139C数据总线挂在PCI总线上，这部分设计比较简单。需要注意的是RJ45接口部分，由于其数据传输速度很高，为避免信号之间的相互串扰，在电路设计上需要采取一定的抗干扰措施，其参考电路如图7所示。

4 软件系统

由于系统与X86体系兼容，因此，其引导过程与通用PC类似。国家半导体公司提供了完整的BIOS程序和相关的设备驱动程序（包括Linux、Windows以及QNX、VxWorks等平台）。

图7 以太网接口

在当前现有的嵌入式操作系统中，Linux系统具有开放、免费、可根据选择Linux作为操作系统，并基于该系统平台，开发实现新的应用程序。将应用软件连同操作系统写入DOC，就构成了完整的嵌入式系统。

5 结论

嵌入式系统设计是很复杂的系统工程，其应用千差万别，需要慎重考虑性能、功耗、成本及人机接口等各方面因素。基于GX1与CS5530的嵌入式系统作为X86体系的解决方案，对于STB（机顶盒）、WBT（基于Windows的终端）及PC架构的非PC设备等应用环境是一个比较好的选择。