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基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)（一）

2.1.1 器件選型

計(jì)算機(jī)器件的選型不僅關(guān)系到計(jì)算機(jī)的整體性能，更重要的是，直接影響到潛在用戶目標(biāo)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此在完成預(yù)期功能要求的前提下，計(jì)算機(jī)元器件的選型應(yīng)該充分的考慮計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，如元器件工作與存儲(chǔ)的溫度范圍等。

2.1.2 內(nèi)存設(shè)計(jì)

龍芯3A處理器上集成2個(gè)DDR2通道，每個(gè)通道支持的容量為1GB,兩個(gè)通道共2GB.每個(gè)通道采用8顆16位位寬1GB的內(nèi)存顆粒，兩個(gè)通道共16顆內(nèi)存顆粒。其中，CLK0、2一組，CLK1、3一組，即顆粒1、2一組時(shí)鐘，顆粒3、4一組時(shí)鐘。特別注意：顆粒的鎖相環(huán)電源及地需用磁珠進(jìn)行隔離。通道的內(nèi)存顆粒連接示意圖如3所示。

2.1.3 電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電源能夠提供12V、5V的電壓。其它種類(lèi)電壓依照不同的電流需求由電源模塊或LDO等提供。系統(tǒng)的上電啟動(dòng)過(guò)程，可各路電源同時(shí)上電，也可配置處理器I/O、處理器核電壓、南橋核電壓、北橋核電壓的上電順序。

圖3 內(nèi)存顆粒連接示意圖

2.1.4 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用時(shí)鐘芯片SLG8LP625T來(lái)產(chǎn)生處理器HT差分時(shí)鐘200 MHz,北橋的PCIE及HT 差分時(shí)鐘100 MHz、14.318MHz,南橋的A-LINK 差分時(shí)鐘100MHz、14.318MHz、48MHz,4個(gè)PCIE網(wǎng)絡(luò)控制器的差分時(shí)鐘100MHz,SuperIO的48MHz.處理器的HT差分時(shí)鐘為做兼容設(shè)計(jì)采用200 MHz的有源晶振。掛在南橋PCI總線上的PCI橋PLX6254、IDE控制器SiI0680、SuperIO所需的33MHz時(shí)鐘由南橋輸出。處理器的PCI、BIOS時(shí)鐘33MHz由有源晶振及時(shí)鐘Buffer輸出，系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)存時(shí)鐘所需的25MHz由有源晶振輸出。4個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器所需25 MHz由Crystal輸出。SATA時(shí)鐘25MHz,RTC時(shí)鐘32.768kHz由Crystal輸出。PCI橋PCI6254時(shí)鐘66MHz由有源晶振輸出。

2.1.5 其它設(shè)計(jì)

由于整個(gè)系統(tǒng)不需要ACPI電源管理，故設(shè)計(jì)中不分S5及S0狀態(tài)的電源，但必要的上電先后順序需要滿足。處理器上電時(shí)序：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，即由CPCI槽供5V、12V電源，處理器核電壓由3.3V的POWERGOOD作為使能信號(hào)產(chǎn)生，滿足要求的上電時(shí)序。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)序：南北橋核電壓的POWERGOOD信號(hào)經(jīng)MAX708延時(shí)200ms后輸出到南北橋芯片，延時(shí)信號(hào)的上升沿作為觸發(fā)信號(hào)輸出到南橋使整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)。延時(shí)信號(hào)SB_NB_PWRGD與南北橋復(fù)位信號(hào)MASTER_RST/經(jīng)與門(mén)后作為處理器的復(fù)位信號(hào)。南橋的LDT _PG、LDT_RST分別作為HT_POWEROK、HT_RST接到處理器，以滿足HT總線的上電時(shí)序。南橋的PCI_RST作為南橋PCI總線的復(fù)位信號(hào)。南橋的A_RST作為全局復(fù)位信號(hào)復(fù)位IDE控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器、北橋等設(shè)備。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序：復(fù)位按鈕可控制整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)作為CPCI槽上的從設(shè)備時(shí)，槽上引入的復(fù)位信號(hào)可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。

2.2 可重構(gòu)設(shè)計(jì)

基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)的FPGA 配置優(yōu)化和在線重配置如圖4所示。它能夠在計(jì)算任務(wù)運(yùn)行的同時(shí)對(duì)可重構(gòu)器件上的邏輯資源進(jìn)行重構(gòu)。計(jì)算任務(wù)被劃分為多個(gè)配置文件，每次在可重構(gòu)器件上加載的配置文件與計(jì)算任務(wù)中的一個(gè)部分相對(duì)應(yīng)，因此在計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中需要對(duì)可重構(gòu)器件進(jìn)行多次重構(gòu)。

圖4 FPGA配置優(yōu)化和在線重配置示意

基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖5,一個(gè)應(yīng)用首先要進(jìn)行軟件、硬件劃分，決定應(yīng)用的什么部分用軟件實(shí)現(xiàn)，什么部分用硬件實(shí)現(xiàn)。在軟、硬件劃分時(shí)，通常將控制過(guò)程的功能模塊由軟件實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)計(jì)算密集型的功能模塊由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在軟、硬件劃分后，就將軟件任務(wù)映射到微處理器，硬件任務(wù)映射到可定制單元（FPGA）。在任務(wù)的劃分階段采用非重疊功能調(diào)度、自動(dòng)化建模（硬件任務(wù)劃分、映射）技術(shù)、可重構(gòu)硬件虛擬抽象等手段實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算。

圖5 基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)流程

2.3 基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)的IP核設(shè)計(jì)

IP設(shè)計(jì)首先是進(jìn)行規(guī)格的定義，根據(jù)規(guī)格提出功能需求后，建議軟硬件的協(xié)同仿真環(huán)境后進(jìn)行子模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具體的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6.

基于國(guó)產(chǎn)多核處理器的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)的構(gòu)件及IP核集成和測(cè)試是為了保證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供的功能的正確性，保證功能與設(shè)計(jì)規(guī)格的一致性。通過(guò)研究掌握當(dāng)前主要的驗(yàn)證手段和驗(yàn)證策略，形成一套成體系的設(shè)計(jì)流程。

2.4 基于FPGA的計(jì)算加速設(shè)計(jì)