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基于Geode TMGX1的嵌入式系統設計
摘要：介紹國家半導體公司（NS）的GeodeTMGX1處理器及協同芯片，說明如何利用該芯片組進行嵌入式系統設計，并討論一些設計難點的處理。關鍵詞：信號完整性信息家電阻抗匹配
引言
近些年，嵌入式技術迅速發(fā)展，嵌入式應用深入金融、航空航天、電信、網絡、工業(yè)控制等各個領域，并進一步滲透到日常生活領域——信息家電。信息家電市場的日益發(fā)展需要高效、靈活的嵌入式解決方案。
美國國家半導體公司（NS）的GeodeTMGX1處理器是一款專門針對信息家電市場的集成處理器，具有低功耗、高性能、低價格及X86體系的兼容性與可擴展能力。GX1與其協同芯片為瘦客戶機、交互式機頂盒以及個人Internet接入等信息家電應用提供了靈活、可擴展的解決方案。
1GX1與CS5530
GX1處理器采用0.18μmCMOS工藝，典型功耗僅為0.8～1.2W（在1.6V/200MHz條件下為0.8W，在2.0V/300MHz條件下為1.2W），為X86體系中最低。除CPU內核與電源管理等通用部件外，還在片內集成了存儲管理單元、視頻控制單元、2D圖形加速單元和PCI總線主控器，有效地提高了系統可靠性、降低器件數量。圖1是其內部結構框圖。
根據不同的性能與功耗要求，可以選擇具有不同內核電壓與工作頻率的芯片，提高設計的靈活性。GX1內核為32位X86兼容內核，支持當前各種流行操作系統，可簡化軟件開發(fā)投資。
CS5530協同芯片除提供通用南橋芯片PCI-to-ISA橋接功能（包括UltraIDE接口、USB接口、通用I/O接口等）外，還與GX1處理器一起提供完整的電源管理和音頻、視頻加速功能，并且CS5530可直接與CRT顯示器和TFT顯示器接口。其內部結構框圖如圖2所示。
2系統原理與結構
GX1處理器采用X86體系兼容的硬件結構，故此其應用系統構成與通常PC架構非常類似。由于集成了內存控制器，GX1直接連接SDRAM模塊，無需相應的北橋芯片參與。除圖像數據外，作為PCI仲裁器，GX1與所有其它設備通過PCI總線連接。其與CS5530之間有專用的視頻通道，用來交換視頻圖像數據。
CS5530兼具了部分南、北橋功能，提供了系統大部分對接口功能：音、視頻接口和ISA總線接[]。系統BIOS和DOC均掛接在ISA總線上。
采用國家半導體PC97317芯片作為SUPERI/O，用來提供串行/并行接口、PS/2鍵盤、鼠標接口、紅外接口和實時時鐘功能。系統框圖如圖3所示。
3關鍵設計問題
�。�1）SDRAM時鐘
為了提供良好的存儲器讀寫特性，對于SDRAM時鐘有較嚴格的要求；
�、贂r鐘信號之間長度差小于±0.13cm；
②時鐘走線寬度不小于0.2mm；
③時鐘走線必須在連續(xù)的地線平面之上，且必須是走在最靠近地平面的信號層。
此外，CPU的SDCLKOUT與SDCLKIN之間的時鐘環(huán)回線應滿足圖4要求。
另外，因為SDRAM的時鐘頻率很高，可達到100MHz，故SDRAM信號匹配非常重要。為保證高速信號的信號完整性，對于SDRAM接口信號均應加阻抗匹配措施，我們采用10Ω電阻串聯源端匹配的方式，效果良好。
�。�2）DOC
由于定位在嵌入式應用，雖然系統提供了IDE硬盤接口，但在最終使用時卻過于龐大，也不適應惡劣的嵌入式應用環(huán)境。我們使用電子盤——DOC（DiskkonChip）作為操作系統載體。
圖5DOC地址譯碼電路
DOC2000是M-System公司推出的帶TrueFFS文件系統的Flash存儲設備，容量從16MB到1GB；具有EPROM兼容的電接口特性和系統引導能力，支持多種操作系統，是目前廣泛使用的極具成本效益的嵌入式存儲載體。
DOC在系統內存占據8K窗口，必須把DOC映射到系統內存區(qū)，使系統在初始化時能掃描到DOC的引導塊，從而使系統能夠從DOC加載操作系統。所以，必須對其地址譯碼專門考慮，其譯碼電路如圖5所示。
�。�3）模擬視頻接口
GX1內含圖形加速單元，最高支持分辨率可達到1280×1024（8位色）或1024×768（16位色）。
CS5530內部集成視頻數模轉換器（VDAC），可直接支持CRT和TFT平板顯示設備�；诔杀究紤]，我們選擇使用CRT監(jiān)視器，其視頻接口是模擬電路部分。為保證高速視頻信號的完整性和穩(wěn)定傳輸，在設計時，需要采取以下措施：對RGB信號加并行端接阻抗匹配和濾波處理，同時加二極管保護電路。圖6為其參考電路。
此外，在布線時應注意盡量與其它數字信號隔離，以減小干擾。
�。�4）以太網接口
由于系統要求高速聯網設備，我們提供最常用的10/100M自適應以太網接口。RTL8139C是目前業(yè)界使用最廣泛也是性價比較高的以太網控制器芯片。
圖6模擬視頻接口電路
RTL8139C數據總線掛在PCI總線上，這部分設計比較簡單。需要注意的是RJ45接口部分，由于其數據傳輸速度很高，為避免信號之間的相互串擾，在電路設計上需要采取一定的抗干擾措施，其參考電路如圖7所示。
4軟件系統
由于系統與X86體系兼容，因此，其引導過程與通用PC類似。國家半導體公司提供了完整的BIOS程序和相關的設備驅動程序（包括Linux、Windows以及QNX、VxWorks等平臺）。
圖7以太網接口
在當前現有的嵌入式操作系統中，Linux系統具有開放、免費、可根據選擇Linux作為操作系統，并基于該系統平臺，開發(fā)實現新的應用程序。將應用軟件連同操作系統寫入DOC，就構成了完整的嵌入式系統。
5結論
嵌入式系統設計是很復雜的系統工程，其應用千差萬別，需要慎重考慮性能、功耗、成本及人機接口等各方面因素。基于GX1與CS5530的嵌入式系統作為X86體系的解決方案，對于STB（機頂盒）、WBT（基于Windows的終端）及PC架構的非PC設備等應用環(huán)境是一個比較好的選擇。
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