基于龙芯2F的国产处理器平台在路由器中的设计实现

刘素桃，高 飞

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

基于龙芯2F的国产处理器平台在路由器中的设计实现

刘素桃，高 飞

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

高性能处理器（CPU）作为路由器设备的核心部件之一，主要用于实现路由器设备的控制及协议处理功能。对核心部件CPU采用了国产的龙芯2F处理器及与之相适配的中标麒麟操作系统，构建了国产处理器平台，应用到路由器设备中，解决了长期以来路由器设备对国外处理器的依赖，提高了路由器设备的安全可靠性，实现了路由器设备在硬件、软件的自主可控。对国产处理器平台进行了简要介绍，并结合实例验证了国产处理器平台在路由器设备中的设计方案正确可行，能够满足路由器的需要，可以进行推广应用。

龙芯2F处理器；Linux；公共嵌入式平台；CPU

0 引言

近年来，美国斯诺登爆料的涉及安全的各种事件让各国充分意识到，研发自主知识产权的设备极为迫切，而路由器设备是信息化建设中的重要设备之一，其核心部件CPU采用国产处理器平台可以解决诸多安全隐患问题［1］。

随着近些年我国自主化技术的积累与推进，国内的几大厂商相继研发出了自主的CPU，并已在计算机平台得到了成功应用［2］，这为路由器设备选用国产化CPU提供了可供选择的方案与契机。然而市场上国产化的CPU目前主要用于计算机平台［3］，在路由器设备中还没有成功的方案可以借鉴，需要创新地设计一种适合路由器设备的国产处理器平台。

高性能的CPU主要用于路由器设备的控制及协议处理［4］。龙芯中科公司的龙芯2F芯片，具有低功耗、高可靠性的特点，适合应用到路由器设备中。结合路由器设备的应用，对龙芯2F处理器在性能、环境适应性及可靠性方面进行测试验证。

1 国产龙芯处理器技术

1.1 龙芯2F处理器简介

龙芯2F处理器是一款中国科学院计算技术研究所研制的、内部集成了龙芯64位CPU核，兼容MIPS64指令系统的高性能低功耗处理器芯片，支持软件动态调节处理器工作频率，操作系统利用这个特性可根据负载情况改变处理器工作频率以达到降低功耗的目的。龙芯2F采用先进的四发射超流水线结构，实现了转移猜测、寄存器重命名、动态调度以及非阻塞的高速缓存访问等乱序执行技术，片内包含64 KB一级指令高速缓存、64 KB一级数据高速缓存和512 KB二级高速缓存［5］。

龙芯2F集成了64位DDR2内存控制器、PCI／PCI-X控制器、Local-Bus总线接口、中断控制器和视频加速单元。系统扩展通过标准的PCI／PCI-X总线进行，既能作为PCI／PCI-X总线的主控制器，也能作为PCI／PCI-X的设备。

龙芯2F内部的互连核心是一个128位宽度的2x2 AXI交叉开关。CPU核和PCI／PCI-X从设备占用两个主设备端口，DDR2控制器占用一个从设备端口，PCI／PCI-X主设备及其他模块共享另一个从设备端口。

龙芯2F的典型工作频率为800 MHz，在该频率下的实测功耗为3 W左右，适用于低功耗、高性能需求的嵌入式应用领域。

1.2 龙芯处理器现状及应用

中科院计算技术研究所研制的龙芯系列处理器，已经在技术及稳定性方面逐渐成熟。目前龙芯系列处理器，已经成功应用于计算机平台［6］，作为加固计算机平台已成功应用于控制领域［7］。龙芯2F的工作温度范围可达－40℃～55℃，满足工业级的应用需求，能够应用到桌面及嵌入式控制领域，能够满足路由器在恶劣环境下应用的温度范围。

2 设计实现方案

2.1 硬件设计

国产处理器平台的硬件组成如图1所示，它主要由龙芯2F处理器模块、BIOS引导程序存储器、数据存储器DDR2 SDRAM、南桥、调试串口、调试网口、功能扩展模块组成。该硬件平台的实现目标是构建嵌入式的自主可控的高性能处理器公共平台，并能实现功能的扩展。

图1 国产处理器平台硬件组成框图

其中电源模块主要用于提供嵌入式高性能处理器平台所需要的电源，平台采用5V供电，经过DC／DC变化生成龙芯2F及相关外围芯片所需要的内核电压及IO电压；

复位控制是按照龙芯2F的上电复位要求进行的控制设计，时钟模块提供龙芯2F工作需要的时钟信号；

数据存储器设计采用4片MT47H128M16的DDR2 SDRAM颗粒，提供容量为1 GB的数据存储；

南桥主要提供调试串口、IDE总线及USB总线，并连接到功能扩展模块实现功能的扩展。

龙芯2F通过PCI总线挂接一片Intel的以太网控制器82540实现调试以太网口的功能。

功能扩展设计是采用SAMTEC公司的四个高速高密度连接器，连接器的可靠性能够满足路由器设备的可靠性要求；信号定义在ETX3.02规范［8］的基础上进行了改进，增加了LOCAL总线的定义，去掉了键盘、鼠标等无用信号，从而适合路由器设备及嵌入式应用；把在路由器中常用的LOCAL并行总线、PCI总线及IDE总线、USB总线引接到板间互联连接器上，方便在路由器设备应用中的功能扩展，最终作为一个公共的嵌入式高性能处理器平台应用到多个项目的设计中，满足不同的应用需求。

路由器设备需要使用路由交换芯片［9］，如图1所示，通过功能扩展模块的PCI总线连接到路由交换芯片，同时创新地利用了龙芯2F提供的2个片选信号，满足了路由器设备的应用。

2.2 Local总线设计

龙芯2F的LocalIO控制器提供了访问外设的接口，主要连接用于系统启动的BIOS。龙芯2F对外提供两个片选，即LIO_ROMCS、LIO_CS，具有可配置的数据位宽和访问延迟，可以根据外挂接的设备接口进行时序的简单控制。图2是龙芯2F的LOCAL总线设计功能框图，龙芯2F通过CPLD进行地址译码，对外提供CS1和CS2两个片选信号，其中CS1片选是8位总线接口，CS2片选是16位总线接口，它们的容量都为8 MB，同时将这两个片选信号连接到功能扩展模块，用于提供实时时钟以及其他嵌入式常用的成帧器芯片或控制逻辑的实现，为路由器及嵌入式的应用提供了方便。外部挂接的实时时钟芯片是DALLAS公司DS1554，它是一款数据总线位宽为8位、地址总线为15位的低速外设，与CS1片选连接；外部挂接的成帧器芯片是一款总线位宽为16位、地址总线为14位的外设，与CS2片选连接，从而合理地利用了龙芯LOCAL总线的能力，若其他外设需要片选，还可以进一步进行扩展。

图2 龙芯2F的LOCAL总线设计

BIOS引导主要用于存储LINUX内核启动及配置需要的PMON固件。通过龙芯2F的片选信号LIO_ROMCS连接，设计选用一款容量为512KB的SST39VF040的FLASH芯片

2.3 软件设计

路由器设备除了核心CPU采用国产化处理器外，与之适配的固件、操作系统软件以及应用软件都实现了国产化。

固件软件选用基于MIPS架构的龙芯2F的PMON程序，针对本国产处理器平台进行了修改，满足路由器的需要；运行于龙芯2F之上的操作系统采用中标麒麟LINUX定制系统软件。

路由器设备的软件框架如图3所示，主要包括BIOS引导程序、中标麒麟LINUX操作系统以及路由器设备应用软件，应用软件主要包括链路控制软件、TCP／IP协议软件、单播路由软件、组播路由软件、MPLS协议软件、流量工程软件以及安全认证软件等。

图3 路由器设备的软件框架

其中链路控制软件由PPP协议软件、交换芯片控制软件、以太网数据处理软件组成，主要实现链路状态检测、交换芯片控制、数据处理及协议认证的功能。

维护管理软件主要实现网络代理、设备维护管理、在线升级等功能，实现对各个业务单元板的的轮询、工作模式的控制以及收集各单元板的状态并存于数据库中。

协议及协议管理软件主要完成各种路由协议的协议交互，定期发送协议控制报文进行协议沟通，并向业务板发送相关协议配置消息进行接口地址的配置等，数据库软件主要用于存放对各个业务板库文件的存储及数据的搜集等功能；网络管理软件主要用于对网络的规划及实现互联互通的配置等功能。

安全认证软件主要由设备鉴权认证软件、路由协议认证软件和用户认证软件组成。

下面重点介绍一下国产处理器平台BIOS的开发应用。

2.4 BIOS的开发及应用

国产处理器平台的BIOS设计采用的是PMON，实现操作系统的BootLoader的功能。PMON是MIPS架构CPU最常用的BIOS，功能十分强大［10］，占用资源少，仅需要一个串口，512 KB ROM，128 KB RAM就能实现PMON的全部特性，它不仅支持BIOS启动配置、内核加载，还支持程序调试、内存寄存器显示和设置、内存反汇编等。本设计中支持从CF卡及TFTP来引导操作系统，PMON程序初始化流程图如图4所示［11］。

图4 PMON程序初始化流程图

3 应用实例

3.1 性能测试实例1

搭建的国产处理器平台数据处理性能测试框图如图5所示，使用思博伦的TestCenter测试仪从以太网接口发送IPv4、目的地址为2.0.0.9的数据报文，帧长为1 500字节，该数据报文直接依靠CPU进行转发到以太网接口，在发送带宽为60%时不丢包。

图5 国产处理器平台数据处理性能测试

3.2 性能测试实例2

利用SFTP服务器进行500 MB大小的文件WindRiver.rar的下载，数据处理速度可达7 362 KB／s，CPU处理数据的性能如下所示：

4 高低温环境适应性试验和可靠性试验

为了验证国产化处理器龙芯2F的环境适应能力，对路由器设备作了环境适应性高低温［12］试验，测试结果如表1所示。

此外，还对路由器设备进行每天8小时，连续48小时的可靠性试验，路由器设备能够正常稳定工作，验证了其长期稳定工作的能力。

表1 路由器设备高低温测试

5 结束语

主要对基于国产的龙芯2F处理器搭建的公共嵌入式平台进行了较为详细的介绍，并结合路由器设备的应用特点，重点介绍了LOCAL总线的应用设计、PMON的应用，结合应用实例测试，验证了国产化龙芯2F在路由器设备应用中能够满足性能指标，经过高低温试验、可靠性考核，验证了龙芯2F能够满足路由器设备的应用需求，为其他设备的工程应用提供了成功的借鉴。

［1］刘冀川，李冬梅.万兆以太网技术的研究与实现［J］.无线电工程，2012，42（12）：7－9，45.

［2］芮 雪，王亮亮，杨 琴.国产处理器研究与发展现状综述［J］.现代计算机（专业版），2014（8）：15－19.

［3］黄天章.军事认知通信网络研究［J］.无线电通信技术，2011，37（6）：14－16.

［4］杨邦甲.高性能路由器的功能与基本结构［J］.电脑知识与技术，2009，5（12）：3118－3119.

［5］李士刚，黄 威，张 鹏.龙芯处理器性能测试方法研究［J］.现代电子技术，2013，36（23）：88－90.

［6］滑 伟.一种PCI总线接口的数据接收卡设计［J］.无线电通信技术，2013，39（4）：53－55，92.

［7］张 军，蔡 晔.基于龙芯2F的车载和便携设备系统设计［J］.微计算机信息，2009，25（5）：59－60.

［8］徐 宏，方 方，胡晓龙.基于ETX载板测控平台的研制［J］.核电子学与探测技术，2013，33（9）：1139－1143.

［9］胡龙斌.下一代高性能路由器关键技术研究［J］.广东科技，2014（16）：188－189.

［10］李 雷，郑为民，刘金刚.基于PMON的龙芯BIOS初始化及VGA BIOS模拟器［J］.计算机工程，2009（1）：204－206.

［11］张菊莉，张君毅，孟小锁.基于龙芯2F架构的PMON分析与优化［J］.现代电子技术，2011，34（2）：19－21.

［12］邢占春，曹芳菊，黄进燕，等.基于CPCI总线的多卡实现32路采集平台设计［J］.无线电工程，2014，44（4）：77－80.

Design and Implementation of Domestic-processor Platform Based on Loongson 2F in Routers

LIU Su-tao，GAO Fei
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The high performance processor（CPU）is one of the critical part of router.It is mainly used to realize the control and protocol disposer.In our router，a domestic Loongson 2F processor is adopted，and together with Kylin embedded Linux system，to build a national processor platform used in router device.This platform can facilitate the problem of router device dependence on foreign CPU technology for a long time.Moreover，it also improves the device safety and reliability.Finally，it promotes the independency and control-lability of the critical hardware and software in router.This national developed processor is simply introduced.And it is proved that the project of the native Loongson 2F used in the router is right and feasible，satisfying the router need，and can be popularized.

Loongson 2F；Linux；embedded platform；central processing unit

TN915.142

A

1003－3114（2015）06－84－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.22

刘素桃，高 飞.基于龙芯2F的国产处理器平台在路由器中的设计实现［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：84－87.

2015－08－10

国家部委基金资助项目

刘素桃（1971—）女，高级工程师，主要研究方向：通信网络设备。高 飞（1985—）男，工程师，主要研究方向：通信网络设备。