一种基于瑞芯微RK3566平台的云电脑设计方案

2023-02-28汪金辉关耀枢

电子产品世界 2023年2期

汪金辉关耀枢

摘要：介绍了一种基于RK3566实现云电脑显示终端的硬件设计方案。云电脑是一种新型产品形态，与传统电脑相比，具备不可比拟的优势，在可预见的未来市场份额以及用户群体必将快速增长。

关键词：云电脑；RK3566；WIFI 6；千兆网卡

0 引言

云电脑是一种整体服务方案，包括云端资源、传输协议和云终端。用开放式云终端通过传输协议，把桌面、应用、硬件等资源以按需服务、弹性分配的服务模式提供给用户。用户无需考虑构建复杂的IT，就可实现单机多用户。IT行业在过去的几十年里得到了迅猛发展，但同时也带来一系列负面影响，包括高昂的成本、缓慢的响应速度以及缺乏一体化管理的基础架构。云电脑是一种全新的IT服务，也称之为云电脑服务。与传统电脑相比，云电脑没有CPU、内存和硬盘等硬件，这些硬件全部汇集在云端的数据中心里。用户只需一个小巧的终端设备，在任何有网络的地方接入网络，连接键盘、鼠标和显示器，就可以访问个人的桌面、数据和各种应用，一切与使用普通个人电脑没有区别。简而言之，传统电脑依靠主机运行，而云电脑设备是通过云端运行。

和传统计算机相比，云电脑的部署更加简单、快捷、便于集中管控和维护，降低了人力物力成本。由于对本地终端硬件要求较低，云电脑在使用、维护和管理上较传统电脑具备很多优点。例如：升级系统、修补漏洞都在云端集中进行，不必个人操作；在云终端上，病毒无任何附着物，在服务器端则采用多种安全机制，比传统电脑更安全；同时，个人数据存储在云端，有多种机制进行备份，个人数据不会丢失；云电脑所有应用、数据、以及各种接口都可统一管理和控制，从而保证企业数据不会流失；此外，云终端由于功耗低，设计上采用较为封闭的外壳，使用寿命要长很多。在教学、科研、企业管理方面都有独特优势。另外现阶段的游戏随着制作越来越精良，对传统PC硬件CPU/GPU的要求也越来越高，云电脑的一系列优势也可极大降低游戏门槛，从而在云游戏场景也将具备广阔的市场前景。

1 云电脑终端一般基本性能要求

1.1 面向办公终端

1.2 面向营业厅、软件开发终端

以上是某运营商对于云电脑终端的硬件需求。本文以面向办公终端、在线教育、在线游戏等场景为出发点，经过综合对比海思、MTK、AMLOGIC、瑞芯微等多家平台方案，最终以瑞芯微RK3566平台做平台支撑，在满足上述1.1规格需求的基础上预留出部分功能需求，形成的板卡规格如下：

2 RK3566云电脑板卡方案设计

2.1 方案系统架构

本方案设计中，关键电路由小系统核心、实时时钟、网络传输、LCD显示部分，USB外设接口等部分组成。系统框图如下图1所示。在信号输入部分，由于芯片内部没有集成PHY，网络信号MDI/MDIX经PHY芯片转换成RGMII信号送入主芯片处理，USB信号因兼容设计较多外设，部分外设USB信号经过HUB后送入主芯片，包括TYPE C信号以及移动硬盘、鼠标、键盘等USB外设。在信号输出部分，有HDMI OUT接口，预留兼容EDP屏接口，另外RK3566本身不支持点LVDS屏，所以需要一颗转换芯片将MIPI DSI信号转换为LVDS信号输出。因为云电脑需要实现远程控制，因此设计实时时钟电路用于远程控制系统定时开关机功能，同时也可在网络连接异常时确保系统时间正常显示。在网络传输部分，则由2.4 G/5 G双频Wi-Fi以及千兆有线网络组成，确保用户在无线/有线环境下均可实现云端办公、教育、娱乐、游戏等功能。针对小系统核心、实时时钟、网络传输、LCD显示在下文详细阐述。

经过板卡设计，形成产品形态如下图2所示，除上述关键电路以外，还预留较多功能以便后续扩展使用，例如MIPI CSI接口以便用于后续整机内置MIPI摄像头需求。

2.2 核心系统方案设计

云电脑平台方案以RK3566为核心，搭配外置LPDDR4以及EMMC5.1。采用全新独立JPEG解码处理器，高效并发处理多小图解析，有十分强大的视频编解码能力，支持4K H.264/H.265/VP9等多種格式高清解码，编码支持1080像素，60fps的H.264及H.265格式编码，支持动态码率、帧率、分辨率调节等功能。RK3566 嵌入式3D GPU 完全兼容OpenGL ES 1.1/2.0/3.2、Open CL 2.0和Vulkan1.1。在信号处理流程上，除了支持硬件外设外，云电脑的核心内容主要是要处理云端数据，因此在核心系统方案中，针对云端数据处理流程如图3所示，其中图模式是云电脑图像变化频率较低时使用的模式，整个云桌面是1张大的bitmap，每当图像有变化的时候只把变化区域的数据以RGBA的格式传到客户端，然后客户端对应更新大图中发生变化区域的数据。流模式是云桌面内图像变化频率较高时使用的模式，这种模式下是把整个桌面图像用h264协议编码后传到客户端，然后客户端用的media codec解码并渲染到Surface上：

2.3 实时时钟电路设计

实时时钟电路的作用主要有时间记忆以及定时开关机等作用，一般只需要整机首次开机设置1次即可，如2.1描述，云电脑需要实现远程控制，因此设计实时时钟电路用于远程控制系统定时开关机功能，同时也可在网络连接异常时确保系统时间正常显示。常用的实时时钟芯片为H8563T系列等，工作频率为32.768 kHz，业内通用做法是采用CR2032电池，时钟芯片长期需要消耗电流，如果单独只采用CR2032给时钟芯片供电，则会导致电池电量在3～4年即要更换电池，本方案采用电池/板卡DC供电的双供电系统，可极大的提升电池使用年限。如图4所示，其中纽扣电池接口采用外挂电池形式，方便后续用户更换。

2.4 网络传输电路设计

在云电脑应用场景，高速、高稳定性是用戶体验的最佳保障，因此本方案设计采用千兆以太网+2.4 G/5 G双频Wi-Fi双网络连接方案。下面针对两部分分别阐述。

千兆网是指有线网络达到10 M/100 M/1 000 Mb/s自适应以太网，因RK3566并未集成PHY芯片，因此在实现千兆网通讯时硬件有两种方案，一种是采用USB网卡芯片，即将MDI/MDIX信号通过USB网卡芯片转换为USB3.0信号，该方案需要占用一路USB3.0接口。另外一个方案是采用RGMII接口，将有线MDI/MDIX信号通过RGMII网卡芯片转换为吉比特介质独立接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）。RGMII均采用4位数据接口，工作时钟125 MHz，并且在上升沿和下降沿同时传输数据，因此传输速率可达1 Gbit/s。本方案采用REALTEK RTL8211F来实现千兆以太网的信号传输。下图5为典型的RGMII应用框图。

考虑到用户使用场景的复杂性，本方案采用2.4 G/ 5 G双频Wi-Fi模组。Wi-Fi一词是无线保真度（Wireless Fidelity）的简称。位于美国德克萨斯州的国际WiFi联盟负责Wi-Fi的认证和商标授权工作，其中Wi-Fi802.11n协议标准对应Wi-Fi4，802.11ac对应为Wi-Fi5，802.11ax对应为Wi-Fi6。Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6都是Wi-Fi信号国际技术标准，是一种无线局域网技术，最显著的区别就是吞吐速率的区别，如图6所示，其他的区别在这里不做赘述。

设计之初为了避免不同整机单独要做SRRC认证，减少认证费用以及周期，优先考虑蓝牙WiFi USB集成模组，但是因为整机需求蓝牙通话功能，有别于音乐播放音频传输，蓝牙实时通话音频传输在硬件通路上是需要走PCM通路，现有的USB模组暂时无法实现该功能，因此最终选取SDIO板载蓝牙Wi-Fi5模组，电路兼容RTL8821CS以及AP6256等，同时考虑未来进一步提速需求，板卡兼容板载Wi-Fi6模组封装。

2.5 LCD显示方案设计

在小尺寸屏市场，屏接口主要有RGB/MIPI DSI/ EDP/LVDS四种。简要定义如下：RGB接口是基于三原色数据信号，实现CPU与LCD之间的数据交互。液晶中所用的MIPI接口，其专业名称叫DSI，全称Display Serial Interface。顾名思义，该接口是指用于显示模块的1个串行接口，基于MIPI协议而产生。eDP（Embedded，嵌入式Display Port），它是一种基于Display Port架构和协议的一种内部数字接口，LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低电压差分信号，是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术。不同接口的工作原理不同，对应的应用场景也不尽相同。在本方案的云电脑场景，所用到的LCD屏尺寸从18.5～27英寸不等，该尺寸段主要以LVDS接口为主，分辨率为典型的1 080像素。RK3566平台方案本身无LVDS信号输出，只有MIPI DSI以及EDP接口。为了实现LVDS点屏需求，需要通过MIPI DSI或者EDP接口转化为LVDS信号输出。为了最大实现板卡兼容，选择保留EDP屏接口，通过转换芯片将MIPI DSI转化为LVDS信号输出。LVDS眼图实测如图7所示。