一种双X86处理器架构的网络设备硬件设计

郭鲁皓

摘 要：为满足双处理器、双操作系统分工协同工作完成数据处理的需求，选用因特尔公司生产的ATOM系列处理器N2600和桥片NM10，设计了一种双X86处理器架构的数据处理系统电路，通过NM10的PCIE接口扩展多路以太网口与系统外部进行数据交换，实现双处理器协同、分工、同步工作，实现多路同步、高速的数据处理与控制功能。

关键词：X86;双处理器;N2600;82574控制器;以太网;数据交换

中图分类号：TP338.1文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

随着物联网技术的快速发展，物联网系统对网络硬件设备的性能提出了越来越高的要求，对硬件设备的数据处理能力和设备之间的通信传输交换能力的要求也在逐步提高。设备可采用双处理器、双操作系统，双系统独立运行、分工协同工作以完成不同功能任务的方式提升网络设备的功能和性能。硬件上设计2套处理器系统电路，预留丰富的对外接口;软件方面采用VxWorks操作系统，该系统实时性、可靠性、互联性优异。双处理器构架的网络设备硬件设计具有一定的经济性、适用性和扩展性，在物联网领域具有一定的推广应用价值。

根据双处理器、双操作系统可分工协同完成数据处理、运算控制的使用需求，在一个电路模块上设计实现两套相对独立的CPU处理电路，两个CPU之间通过以太网通信，且处理电路对外有多种接口。设计如图1所示。

1 芯片选型

1.1 X86处理器选择

处理器选用Intel低功耗凌动处理器N2600。N2600具有功耗低、双核4 线程、主频1.60 GHz、1 MB缓存、2.5 GT/s

总线速度、内部集成显卡等优点[1]。该处理器除了支持 Windows XP操作系统外，还支持VxWorks操作系统，配合桥片使用可满足各种接口扩展需求。

1.2 桥片选择

桥片选用英特尔Intel CG82NM10 PCH，该桥片支持PCI与4通道PCIE，可配置为1个4x或4个1x PCIE总线，支持8路USB端口[2]。NM10桥片配合Intel N2600处理器完成对外接口和总线的扩展，N2600处理器配合NM10桥片使用，可满足低功耗需求。

2 电路设计

2.1 电路组成

系统硬件如图2所示。系统由三个功能区电路组成，分别为2个CPU系统电路和电源管理电路。2个CPU系统电路完全相同，包含CPU最小系统和相应的外设接口。CPU最小系统包括N2600处理器、NM10桥片、BIOS FLASH芯片、DDR3外置存储器和SSD电子盘。该最小系统最多可提供

4条PCIE 1x总线，8个USB，2个SATA，2个显示口。本设计中每个最小系统只使用2条PCIE 1x总线，2个USB，1个SATA，1个顯示口。

2.2 网口设计

设计多路以太网口用于与数据输入输出、对外部系统进行控制。N2600处理器无以太网接口，设计使用NM10的PCIE接口通过以太网控制器实现网口扩展。以太网控制器采用Intel公司设计生产的82574千兆位以太网控制器，配合对应的变压器、TVS保护器件实现多路以太网口扩展目的。NM10可提供四组PCIE 1x总线，满足三片82574的使用需求，每个1x的PCIE接口外接一片82574。

82574支持802.3X流控制规范、802.1QVLAN规范与MAC地址过滤;支持MAC自循环模式;兼容1 Gb/s IEEE 802.3，802.3u，802.3ab规范;支持IEEE 802.3ab自动协商机制规范;支持10/100/1 000 Mb/s全双工;支持10/100 Mb/s半双工[3]。

2.3 VGA接口设计

设计VGA接口用于软件开发调试。N2600处理器内部集成有GPU，GPU的对外显示接口采用数字显示接口DisplayPort。采用DisplayPort接口的显示器较为少见，选用CH7517芯片将DisplayPort转换成标准VGA模拟显示器接口[4]，方便连接显示器。

2.4 USB接口设计

设计USB接口用于外接键盘。USB接口数据线上连接TVS保护器，用于接口过流、过压、静电保护。USB接口的5 V电源串接可恢复保险管，以确保USB口的安全使用。

2.5 串口设计

设计RS 232串口用于开发调试。RS 232接口由NM10上的LPC总线接口通过IT8515E芯片[5]、电平转换芯片MAX3232[6]、TVS保护器实现。

2.6 CPLD控制电路

CPLD控制电路包括CPLD芯片、复位监控芯片等。CPLD选用Xilinx公司设计生产的XC3S700AN[7]，看门狗由CPLD内部逻辑完成。复位监控芯片选用Maxim公司设计生产的MAX706[8]。CPLD和MAX706配合完成上电控制、复位控制、电源监控、状态指示等功能。系统上电后，CPLD首先启动，MAX706复位电路提供的复位信号通过CPLD复位两个CPU。复位结束后放开复位信号，CPU启动。设计使用复位按键可复位整个系统。CPU工作时，定时通过GPIO信号送清狗信号给CPLD，当CPU死机后，无清狗信号且达到设定的时间后，CPLD复位CPU。

2.7 电源管理电路

电源管理电路实现电源保护、电源监控功能，还设计有防止反接、过压保护、过流保护及短路保护等功能。设定过压阈值点与过流保护点，在过压、低压或超过设定阈值时均会自动保护。

3 操作系统

软件操作系统为VxWorks。VxWorks 操作系统是Intel旗下美国风河公司（Wind River） 推出的一款高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，被广泛应用在航空航天、通信、工业、医疗、消费电子、网络通信等领域，VxWorks 操作系统在安全性、互联性、可靠性、设备管理、用户交互等方面性能优异[9]，可以满足目前物联网设备的使用要求。

VxWorks支持在线调试，网络加载;支持标准C库API;设计BootLoader分别提供基于网络和本地Image文件的加载模式。系统BIOS采用AMIBIOS，电路模块启动时，CPU首先启动标准的AMIBIOS，在设置界面使用键盘操作设置启动方式、CPU设置等。系统设置成SATA硬盘启动方式，SATA硬盘设置为IDE模式。在BIOS状态下，内存、PCIE设备进行初始化，键盘等USB设备可以使用。

BIOS启动后，自动运行Bootrom加载Vxowoks操作系统镜像，启动VxWorks操作系統。VxWorks操作系统包括网卡、USB、硬盘、串口、显卡驱动，且支持网口和串口调试与显示器命令行文字显示。VxWorks采用DosFs文件系统，支持标准RS 232串口设备和标准I/O设备，可提供相关函数接口，同时Vxworks操作系统还支持TCP/IP网络协议栈，可提供FTP，Telnet，Socket编程等网络功能[10]。

4 测试方法

分别测试每个CPU的系统电路和接口，测试方法如图3所示。

4.1 应用程序更新测试

通过网口将CPU的测试程序下载至板子的SSD中，重新加电且应用程序运行成功后，通过显示器显示运行成功信息。

4.2 DDR3 SDRAM读写测试

CPU分别以全0、全F、递增数三种数据格式写满SDRAM进行回读校验，统计校验错误数量，并将结果通过显示器显示。

4.3 网口测试

使用计算机对2个网口持续测试数万包65 500 B的数据不丢包，CPU之间的网口持续测试数万包65 500 B的数据不丢包。

4.4 串口测试

CPU通过RS 232接口与计算机通信，其波特率为

115 200 bps。数据格式：1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验位。测试时，每帧为256 B，从0开始按1累加数据，处理器发送数据时，计算机通过串口调试助手或环回测试将接收到的数据进行校验;处理器接收数据时，接收计算机发送的数据后进行校验，显示测试结果。

4.5 USB接口测试

USB接口接键盘对VxWorks系统进行操作调试。

4.6 VGA显示接口测试

VGA接口接显示器可正常显示VxWorks系统的运行状态。

4.7 功耗测试

直流电源加电，根据直流电源的电压、电流显示计算电路的功耗。

5 结 语

文章介绍了一种双X86构架的网络设备硬件设计方法与硬件电路测试方法。双X86处理器可设置为每个处理器独立工作，双处理器分工完成不同任务的模式，实现双重功能;也可以设置为处理器之间互为备份，冗余工作的模式，提升系统的任务可靠性。该网络设备的硬件设计具有接口丰富、实时性好、功耗低、体积小、可靠性高、开发周期短等优点，在物联网领域有着广阔的应用空间。

参 考 文 献

[1] Intel.Intel Atom Processor D2000 and N2000 Series[Z].2012.

[2] Intel.Intel NM10 Family Express Chipset[Z].2009.

[3] Intel.Intel 82574 GbE Controller Family Datasheet[Z].2009.

[4] Chrontel International Limited.CH7517 DisplayPort to VGA Converter Datasheet[Z].2012.

[5] Programmable DC Electronic Load User Guide Manual[Z]. ITECH，2010.

[6] TEXAS Instruments.MAX3232 3-V TO 5.5-V MULTICHANNEL RS 232 LINE DRIVER/RECEIVER WITH±15 kV ESD PROTECTION[Z].2004.

[7] Xilinx.Spartan-3 Generation FPGA User Guide[Z].2011.

[8] MAXIM.MAX705-MAX708/MAX813L Low-Cost，μP Supervisory Circuits Datasheet[Z].2012.

[9]相征.基于VxWorks嵌入式系统的数据通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[10] Wind River.VxWorks Network Programmers Guide 5.5.Wind River System[Z].2002.