基于国产龙芯GS32I的小系统的硬件设计

目前，嵌入式系统已经渗透到各个领域：工业控制，军事国防，消费类电子产品，网络通信等，但大部分领域的应用都是基于国外各大厂商的嵌入式处理器。在嵌入式领域使用国产芯片，走国产化道路已经成为一个迫切需要解决的问题。目前国内的芯片主要有星光系列、汉芯系列、神威系列、青鸟嵌入式芯片、方舟系列、龙芯系列等，这些芯片各有自己的特点。

本设计采用了龙芯系列的GS32I SoC处理器，探讨并设计如何构造一个小型嵌入式硬件系统，同时兼顾科研与应用两方面的要求，在该平台的基础上可以连接各种外设进行嵌入式算法的实验。该系统经简单修改能方便地应用在军事、工业控制、数据采集等领域。

二. 芯片简介

目前龙芯系列微处理器有龙芯1号，龙芯2号微处理器。龙芯2号集成了桥芯片，采用分离的32位地址/数据总线，因此本设计采用基于龙芯2号的GS32I SoC处理器。

GS32I高集成系统设备，提供了高带宽的存储总线，一个100/125MHz SDRAM控制器和一个SRAM/Flash EPROM控制器;48个GPIO口，其中22个专用，可以多路复用，以便在需要的时候能提供额外的功能;33/66MHz、32位PCI控制器(兼容 PCI2.2);两个10/100M以太网控制器;通用串行总线(USB)主机及装置控制器，两个通用异步收发器，一个AC97控制器，一个PCMCIA 控制器。GS32I处理器内部还实现了与MIPS32兼容的基于TLB的虚拟地址转换单元、例外机制、中断机制、指令控制、时钟产生等功能。GS32I提供了强健的电源管理，有空闲和睡眠两种省电模式，还提供有EJTAG接口，用于系统连续检查。

三. 小系统的设计

GS32I总线采用系统总线(SBUS)与存储器和外部设备通信。SBUS是GS32I处理器内部的36位物理地址和32位数据地址总线。需要高带宽或者需要离CPU近的设备连到SBUS总线，包括存储器控制器(SDRAM， FLASH/SRAM)、32位PCI总线接口控制器、DMA 控制器、USB1.1控制器和以太网控制器。不需要高带宽连接的设备均连至片上外部总线PBUS，外部总线的频率始终是系统总线(SBUS)频率的一半。 PBUS设备包括电源控制单元、中断控制器、时钟定时器、通用I/O、UART、AC97控制器。

1. 系统总体设计

小系统硬件功能框图如图1所示：

图1 总体框图

系统设计包括CPU启动和复位电路以及外部I/O设备的地址扩展;包括FLASH和SRAM在内的存储系统的设计;RS232串口;用于人机交互的4×4小键盘和4位LED数码管，另外还提供了八路开关量的输入/输出、 A/D和D/A转换器以及用来实验和测试的EJTAG接口等。

2. 系统的启动与复位

龙芯GS32I支持16位和32位启动。管脚 ROMSEL和ROMSIZE的状态决定了CPU启动ROM的宽度和类型，此表如下所示：

基于系统国产化的需求，使用免费开放源代码的Linux操作系统便于实现国产化。为了方便其嵌入，本系统设置为32位FLASH启动，即把ROMSEL和 ROMSIZE都置为低电平。启动时，若ROMSEL为低电平，则RCSO#缺省设置为有效，并且对Ox0 1FCO 0000使能，CPU从物理地址Ox0 1FCO 0000地址开始执行程序。因此，FLASH或ROM的起始地址应该通过RCS0#映射到此处。系统复位模块提供GS32I处理器的硬件复位和软复位。当管脚VDDXOK和RESETP#都有正电平跳变时，硬件复位有效，这一般在系统加电时产生。

若电源供电正常，且VDDXOK保持，当RESETP#发生正电平跳变时，软件复位有效。这种复位对一些寄存器，特别是系统控制块寄存器没有影响。复位芯片采用可监视供电电源的低功耗芯片MAX811SU，电路原理如下图所示：

图2 RESET电路

3. 存储系统的设计

GS32I提供了高带宽的存储总线，一个100/125MHz SDRAM控制器和一个SRAM/Flash EPROM控制器。SRAM/Flash EPROM控制器可以支持FLASH 、SRAM、LCD 、PCMCIA和外部I/O设备等。

针对存储容量要求比较低的小型嵌入式系统，SRAM设计为16M bit，FLASH设计为64M bit，已能够满足应用需求。SRAM/Flash EPROM控制器有四个可编程的片选信号RCS0#～RCS3#，本文将RCSO#，RCS1#用于FLASH和SRAM，RCS2#用做对外部I/O设备的地址扩展。

本设计采用了2片Intel公司的28F320C3 FLASH，作为系统ROM区，存放操作系统和用户应用程序;两片ISSI公司的IS61LV51216 SRAM，作为系统RAM区，存放系统数据和用户数据。其中RCS0#用于FLASH的片选信号，与FLASH的CS#连接，RCS1#用于SRAM的片选信号。关于存储器的硬件设计示意图如图所示：

图3 存储系统的硬件设计示意图

⑴ FLASH接口设计及相关寄存器的设计

28F320C3 FLASH的存储容量为2M×16 bit。由于SRAM/Flash EPROM控制器设置为32位总线宽度，使用两片28F320C3 FLASH扩展为32位总线宽度，地址线连接至GS32I地址总线的RAD2～RAD22，每次读取四个字节; GS32I复位后起始地址是 0x0 1FC0 0000，FLASH的地址被装载到此处，每个片选信号的地址映射范围是通过设置片选地址寄存器mem_staddr0来实现的，片选地址寄存器 mem_staddr0的格式如下所示：

当E位置为1并且满足条件“(physical_addr&CSMASK)==CSBA”时，片选信号将变为有效。 physical_addr是内部系统总线作为输出的实际的36位物理地址，CSBA用来指定这个片选信号的物理基地址的31：18位，CMASK用来指定CSBA的哪些位被用来译码片选信号。CSBA的高四位，也就是35：32位由mem_stcfg0寄存器的DTY域来决定。本系统中，mem_stcfg0寄存器的DTY域设置为3，则对应的高四位35：32位的值为0000B，CSBA设置为0x07F0，CMASK设置为 0x3FF0这样FLASH的地址就被映射到0x0 1FC0 0000—0x0 1FFF FFFF。

FLASH最快读取速度为70ns， CPU系统总线周期为10ns(100MHz)，因此在读取FLASH时需要插入等待状态，通过设置静态时序寄存器mem_sttime0来插入等待周期。静态时序寄存器mem_sttime0的格式为：

Ta域为数据有效时片选信号要求插入的周期数，考虑到系统的稳定性，根据FLASH的读取参数，插入7个等待周期，因此Ta域设置为7。Ta域默认值为29，在选取启动ROM芯片时，若芯片读取参数需要插入的等待周期超过29，则这种芯片不可用。Tcsh域用来指定在两次访问期间片选信号保持的时钟周期数，这里设置为0。

⑵ SRAM接口设计及相关寄存器的设计

SRAM的存储容量设计为512K×32位，可使用两片IS61LV51216 SRAM(512K×16)通过位扩展实现。将RCS1#连接到SRAM的片选信号CS#上，地址线连接至GS32I地址总线的RAD2～RAD20，地址范围是通过设置片选地址寄存器mem_staddr1来映射的，设置方法与mem_staddr0的实现相同。

SRAM时序与CPU的配合是通过设置静态时序寄存器mem_sttime1来完成的，mem_sttime1的格式与的mem_sttime0相同。IS61LV51216 SRAM的读写速度最快为10ns, 片选信号RCS1#插入一个等待周期，Ta域设置为1，Tcsh域设置为0。对于SRAM的写入，与其相关的域有Twcs，用来指定写脉冲RWE#后片选信号RCS1#保持的时钟周期数， Tcsw用来指定片选信号RCS1#有效后的几个时钟周期插入RWE#，Twp用来指定RWE#持续的时钟周期数。根据SRAM的参数和SRAM的读写时序，本设计中，Twcs，Twp都设置为0，Tcsw设置为0000b，这样使SRAM与CPU的时序能够配合且保证系统的稳定性。设置完成后，SRAM 的读写时序如下图所示：

图4 SRAM读写时序图

4.其他外部设备的设计

GS32I处理器提供48个GPIO口，其中22个专用，48个GPIO中的32个由主GPIO块控制，另外16个是次级GPIO口。每个GPIO 口可以被配置作为输入或输出，并且能够连接到内部中断控制器对输入的信号产生一个中断。本设计中采用GPIO管脚作为外设的数据信号和控制信号。