基于国产多核处理器的可重构计算机设计（二）

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基于国产多核处理器的可重构计算机设计（一）

 

　　2.1.1 器件选型

　　计算机器件的选型不仅关系到计算机的整体性能，更重要的是，直接影响到潜在用户目标系统在开发时硬件设计的复杂度。因此在完成预期功能要求的前提下，计算机元器件的选型应该充分的考虑计算机的应用环境，如元器件工作与存储的温度范围等。

　　2.1.2 内存设计

　　龙芯3A处理器上集成2个DDR2通道，每个通道支持的容量为1GB,两个通道共2GB.每个通道采用8颗16位位宽1GB的内存颗粒，两个通道共16颗内存颗粒。其中，CLK0、2一组，CLK1、3一组，即颗粒1、2一组时钟，颗粒3、4一组时钟。特别注意：颗粒的锁相环电源及地需用磁珠进行隔离。通道的内存颗粒连接示意图如3所示。

　　2.1.3 电源设计

　　本设计的电源能够提供12V、5V的电压。其它种类电压依照不同的电流需求由电源模块或LDO等提供。系统的上电启动过程，可各路电源同时上电，也可配置处理器I/O、处理器核电压、南桥核电压、北桥核电压的上电顺序。

图3 内存颗粒连接示意图

　　2.1.4 时钟设计

　　设计中选用时钟芯片SLG8LP625T来产生处理器HT差分时钟200 MHz,北桥的PCIE及HT 差分时钟100 MHz、14.318MHz,南桥的A-LINK 差分时钟100MHz、14.318MHz、48MHz,4个PCIE网络控制器的差分时钟100MHz,SuperIO的48MHz.处理器的HT差分时钟为做兼容设计采用200 MHz的有源晶振。挂在南桥PCI总线上的PCI桥PLX6254、IDE控制器SiI0680、SuperIO所需的33MHz时钟由南桥输出。处理器的PCI、BIOS时钟33MHz由有源晶振及时钟Buffer输出，系统时钟、内存时钟所需的25MHz由有源晶振输出。4个网络控制器所需25 MHz由Crystal输出。SATA时钟25MHz,RTC时钟32.768kHz由Crystal输出。PCI桥PCI6254时钟66MHz由有源晶振输出。

　　2.1.5 其它设计

　　由于整个系统不需要ACPI电源管理，故设计中不分S5及S0状态的电源，但必要的上电先后顺序需要满足。处理器上电时序：当系统上电时，即由CPCI槽供5V、12V电源，处理器核电压由3.3V的POWERGOOD作为使能信号产生，满足要求的上电时序。系统启动时序：南北桥核电压的POWERGOOD信号经MAX708延时200ms后输出到南北桥芯片，延时信号的上升沿作为触发信号输出到南桥使整个系统启动。延时信号SB_NB_PWRGD与南北桥复位信号MASTER_RST/经与门后作为处理器的复位信号。南桥的LDT _PG、LDT_RST分别作为HT_POWEROK、HT_RST接到处理器，以满足HT总线的上电时序。南桥的PCI_RST作为南桥PCI总线的复位信号。南桥的A_RST作为全局复位信号复位IDE控制器、网络控制器、北桥等设备。系统复位时序：复位按钮可控制整个系统的复位。当系统作为CPCI槽上的从设备时，槽上引入的复位信号可对整个系统复位。

　　2.2 可重构设计

　　基于国产多核处理器的可重构计算机的FPGA 配置优化和在线重配置如图4所示。它能够在计算任务运行的同时对可重构器件上的逻辑资源进行重构。计算任务被划分为多个配置文件，每次在可重构器件上加载的配置文件与计算任务中的一个部分相对应，因此在计算任务的执行过程中需要对可重构器件进行多次重构。

 图4 FPGA配置优化和在线重配置示意

　　基于国产多核处理器的可重构计算机设计流程如图5,一个应用首先要进行软件、硬件划分，决定应用的什么部分用软件实现，什么部分用硬件实现。在软、硬件划分时，通常将控制过程的功能模块由软件实现，将数据计算密集型的功能模块由硬件来实现。在软、硬件划分后，就将软件任务映射到微处理器，硬件任务映射到可定制单元（FPGA）。在任务的划分阶段采用非重叠功能调度、自动化建模（硬件任务划分、映射）技术、可重构硬件虚拟抽象等手段实现可重构计算。

图5 基于国产多核处理器的可重构计算机设计流程

　　2.3 基于国产多核处理器的可重构计算机的IP核设计

　　IP设计首先是进行规格的定义，根据规格提出功能需求后，建议软硬件的协同仿真环境后进行子模块的设计实现，具体的设计流程见图6.

　　基于国产多核处理器的可重构计算机的构件及IP核集成和测试是为了保证设计实现提供的功能的正确性，保证功能与设计规格的一致性。通过研究掌握当前主要的验证手段和验证策略，形成一套成体系的设计流程。

　　2.4 基于FPGA的计算加速设计

　　以国产多核处理器和可定制单元为载体，采用多核虚拟化、FPGA算法加速、负载均衡、共享数据一致性等技术，在通过FPGA对计算加速和异构多处理数据层次之间进行强实时传递的基础上，实现可定制异构多处理架构，重点解决计算加速问题。可定制异构多处理架构如图7.

　　3 结束语

　　基于国产龙芯3A处理器的CPCI计算机模块的研制，不仅实现技术国产化，消除使用国外产品的安全隐患，摆脱受制于人的不利局面，而且随着龙芯处理器的更新换代，龙芯3A处理器是目前国产处理器中性能的芯片，4个处理器，每个核主频可到800MHz左右，基于国产多核处理器的可重构计算机采用国产多核处理器和FPGA实现，具有良好的计算性能。

图6 IP核设计流程