专利名称：基于龙芯2f cpu的单板计算机及其复位管理和使用方法
技术领域：
本发明涉及一种单板计算机，具体涉及一种基于龙芯2F CPU的单板计算机及其复位管理和使用方法。
背景技术：
目前，在高能物理实验的控制系统和数据获取系统中，广泛采用具有VME(VersaModule Eurocard)总线接口的单板计算机作为系统的前端节点。一般来说，这些前端节点部署于实验现场，工作在较为恶劣的环境中，要求单板计算机具有高稳定性，长寿命的特点。同时由于环境对功耗的限制，要求这些单板计算机有很高的性能功耗比。由于使用数量较大，对于前端节点的成本也有较多的限制。目前在高能物理实验中所使用的单板计算机都是基于PowerPC和X86架构的CPU构建。这些单板计算机一般都有价格较高，维
修周期长等缺点。现有的龙芯2F CPU是中国科学院计算技术研究所研制的通用CPU，具有较高的性能功耗比及性价比。然而目前龙芯系列CPU如何被产业化应用成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种龙芯2F CPU在产业化应用中的解决方案，能够节约高能物理实验建造与运行维护的成本。本发明涉及一种基于龙芯2F CPU的单板计算机，包括龙芯2F CPU、DDR2内存模块、VME总线接口模块、千兆网络模块、MINI PCI插槽、复位管理电路、系统时钟源与PCI时钟源、电源模块、固件FLASH电路、实时时钟、看门狗电路、8位DIP开关、I2C总线接口电路和串口以及外设，其中龙芯2F CPU通过PCI总线与千兆网络模块、MINI PCI插槽和VME总线接口模块相连接；实时时钟、看门狗电路、8位DIP开关、12C总线接口电路以及所述的串口及外设通过L0CAL_I0接口与龙芯2F CPU相连接；龙芯2F CPU通过VME总线接口模块与VME总线接插件相耦合。本发明还同时提供上述的基于龙芯2F CPU的单板计算机的实现复位管理的方法，其中的电源模块的各供电电压通过比较器与标准电压相比较；当所述的供电电压达到所述的标准电压的90%以上时，给出相应电压就绪信号*_0K，对于有上电顺序控制要求的电压等级，将上一级电压就绪信号接入下一级电压使能控制端子；最后一级电压就绪信号与所述的手工复位信号、所述的软件控制的复位信号、根据跳线选择的所述的VME总线复位信号线与后作为复位控制信号提供给所述的复位控制电路；当所述的复位控制信号为低电平时，触发所述复位控制电路去抖动后输出全局复位信号，并保持至少120ms。本发明还提供上述的基于龙芯2F CPU的单板计算机在高能物理实验中的使用方法，单板计算机插在VME机箱的任一槽中时，能够作为数据获取系统中的前端数据获取计算机，接受上位计算机的指令；或者完成对其它VME插件的配置、控制其它VME插件的运行、读取实验数据、对实验数据检查数据完整性，进行在线修正，完成在线封装后，打包后发往上位计算机；或作为控制系统中的前端控制计算机，接收上位计算机及其它前端控制计算机的设定、指令及数据；完成对其他插件的配置；读取反馈变量；完成闭环控制、开环控制或程序控制运算；设定控制变量；将控制变量及反馈变量发往上位计算机及其他前端控制计算机。可以作为测试插件，插在VME总线机箱中除第一槽的任一槽中，通过程序，模拟仿真特定VME插件的功能，通过网络或者串口接收上位计算机的配置，接受VME机箱内其他单板计算机的访问，产生仿真数据，测试系统功能和性能。作为协处理插件，插在VME总线机箱中除第一槽的任一槽中，通过网络或者串口 接收VME机箱内其他插件的访问，利用板载的龙芯2F CPU处理其他插件写入的数据，通过网络及VME总线输出处理结果。本发明还提供基于龙芯2F CPU的单板计算机在高能物理实验中的使用方法。本发明通过上述技术方案实 现龙芯2F CPU的单板计算机在高能物理试验中的使用，从而解决龙芯2F CPU大规模产业化问题，具有高的性能、低的成本、低功耗的优点。
图I为本发明的单板计算机的结构示意图；图2为本发明的单板计算机与传统单板计算机的效果比较示意图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明应用在高能物理实验数据及控制系统的单板计算机进行详细说明。本发明的单板计算机的硬件包括，龙芯2F CPUUDDR2内存模块2、VME总线接口模块3、千兆网络模块4、MINI PCI插槽5、复位管理电路6、系统时钟源与PCI时钟源7、电源模块8、固件FLASH电路9、实时时钟10、看门狗电路11、8位DIP开关12、I2C总线接口电路13、串口及外设14。本发明的单板计算机的龙芯2F CPUl通过PCI总线15与千兆网络模块4、MINIPCI插槽5和VME总线接口模块3相连接。本发明的单板计算机的龙芯2F CPUl通过L0CAL_I0接口 16与实时时钟10、看门狗电路11、8位DIP开关12、I2C总线接口电路13、串口及外设14相连。本发明中的单板计算机依赖于通过VME总线接插件从VME总线+5V供电。电源模块8将+5V转换为+3. 3V，+2. 5V，+1. 8V，+1. 2V，+0. 9V。各供电电压通过比较器与标准电压相比较，通过打开集电极电路和分压上拉电路输出相应电压就绪信号*_0K。电压就绪信号*_0Κ包括3. 3V_0K，2. 5V_0K, I. 8V_0K, I. 2V_0K,0. 9V_0K。当供电电压小于阈值电压时，比较器输出高电平，导通集电极电路，拉低电压就绪信号。当供电电压大于阈值电压时，比较器输出低电平，关闭集电极电路，将+5V VME供电电压通过分压后的+3. 3V输出给相应电压就绪信号。阈值电压为相应供电电压标准值的80%-95%，优选的为90%以上。对于有上电顺序控制要求的电压等级，将上一级电压就绪信号接入下一级电压使能控制端子。本发明的单板计算机的DDR2内存模块2包括SO-DMM内存插槽及DDR2内存条，DDR2内存条通过SO-DIMM内存插槽与龙芯2F CPUl相连接。引导软件可以通过I2C总线接口电路13读取内存条中的配置信息，从而可以自适应不同的内存条种类。
本发明的单板计算机的VME总线接口模块包括UNIVERSE II PCI-VME总线桥，VME总线驱动电路，VME总线插槽，PCI总线电压转换电路，其中UNIVERSE II PCI-VME总线桥通过PCI总线电压转换电路与PCI总线15相连接，通过VME总线驱动电路与VME总线插槽相连接。PCI-VME桥接芯片的VME侧地址和数据总线信号通过带3态输出的总线收发器连接到VME总线背板接插件，控制信号通过总线缓冲器与VME总线背板接插件相连。信号的输入/输出方向由PCI-VME桥接芯片配置。VME总线背板接插件包括2个5排160引脚端子。该5排160引脚端子电气设计成与3排96引脚端子电气兼容，以提供对不同VME机箱的兼容性。VME总线接插件用于连接本发明的单板计算机和VME背板总线。本发明的单板计算机的千兆网络模块4包括网络控制器、隔离变压器、RJ45接口，网络控制器与PCI总线15直接相连接，通过隔离变压器与RJ45接口相连接。本发明的单板计算机的复位管理电路6的输入有电压就绪信号，通过跳线选择的VME总线复位信号，手动复位信号，软件复位信号。电压就绪信号与手工复位信号BUTT0N_
RESET#，软件控制的复位信号CPU_RESET#，跳线选择的VME总线复位信号VME_L0CAL_RESET#,线与后作为复位控制信号RESET_C0NTR0L#提供给复位控制电路。当RESET_CONTROL#为低电平会触发复位控制电路，触发复位控制电路去抖动后输出全局复位信号GL0BAL_RESET#,并保持至少120ms。当本发明的单板计算机作为VME总线控制器时，全局复位信号GL0BAL_RESET#低有效时触发VME总线复位信号SYS_RESET#，当不作为系统控制器时，VME总线复位信号SYS_RESET#低有效时，触发板上全局复位信号GL0BAL_RESET#。本发明的单板计算机的系统时钟源与PCI时钟源7中的系统时钟源负责给CPU提供系统时钟、DDR2内存控制器的时钟信号。PCI时钟源负责给龙芯2fCPUl的PCI控制器以及各个PCI设备提供相位同步的时钟信号。可以通过跳线配置时钟频率，以增强对恶劣环境的适应能力。更可以在时钟的源端串接15-40欧姆的电阻，以消除信号反射。龙芯2F CPUl通过L0CAL_I0接口 16与固件FLASH电路9、实时时钟10、看门狗电路11、8位DIP开关12、I2C接口电路13、串口及外设14相连。系统上电复位后，由固件FLASH内存储的二进制代码引导系统。固件FLASH通过SMT插槽安装在电路板上，并提供在线擦写。除了存储二进制引导代码，还可以存储启动时的配置参数，如启动设备、启动参数、网络mac地址、ip地址等。系统通过串口提供操作终端接口。单板计算机通过实时时钟10及看门狗电路11，在上电时和运行期间定时获取时间信息，定期复位看门狗电路，检测系统运行情况，防止系统死机。系统在上电初始化读取DIP开关的值，并以该值配置MAC或者IP地址的最后8位，作为单板计算机的系统标志，区分不同的单板计算机，也可以在单板计算机发生故障的时候方便更换。除了读取DDR2内存条参数，I2C接口电路还可以用来集成温度传感器，监测关键部件和机箱的温度，其通过外接具有I2C接口的温度传感器来实现。龙芯2F CPU单板计算机通过自身的VME总线接插件插在VME机箱中，龙芯2F CPU单板计算机采用VME6U和VME9U外形设计。本发明中的单板计算机，可以满足高能物理实验数据获取及控制系统对前端单板计算机的要求。作为数据获取系统中的前端计算机可以通过以太网接收上位机发送的指令和数据，或者将接收到的数据根据要求检查数据完整性，进行在线修正，完成在线封装；或者完成对其它VME插件的配置；控制其它VME插件的运行；读取实验数据；对实验数据检查打包后通过网络及串口发往上位计算机。
作为控制系统中的前端控制计算机，插在VME总线机箱中任一槽中，作为控制系统中的前端控制计算机，可以接受上位计算机及其它前端控制计算机的设定、指令及数据，将接收到的数据根据要求检查数据完整性，进行在线修正，完成在线封装；完成对其他VME插件的配置；读取反馈变量；完成闭环控制、开环控制或程序控制运算；设定控制变量；控制其它VME插件的运行、读取实验数据、对实验数据检查打包、将控制变量及反馈变量发往上位计算机及其他前端控制计算机。本发明中的单板计算机，可以作为测试插件，插在VME总线机箱中除第一槽的任一槽中，通过程序，模拟仿真特定VME插件的功能，通过网络或者串口接收上位计算机的配置，接受VME机箱内其他单板计算机的访问，产生仿真数据，测试系统功能和性能。本发明中的单板计算机，可以作协处理插件，插在VME总线机箱中除第一槽的任一槽中，，通过网络或者串口接收VME机箱内其他插件的访问，利用板载的龙芯2F CPU处理其他插件写入的数据，通过网络及VME总线输出处理结果。本发明中的单板计算机插在VME机箱中除第一槽的任一槽中，通过软件配置PCI-VME总线桥参数及所述的龙芯2FCPU1内置的PCI总线控制器的参数；将VME总线地址空间映射到板载的所述的DDR2模块2地址空间，响应VME A16，A24，A32地址空间的访问，完成Sbit到64bit宽度的数据读写，将所述单板计算机配置为VME从设备时，通过程序配置PCI-VME总线桥寄存器产生1-7级VME总线中断信号。此时，VME总线复位信号引发所述单板计算机全局复位信号。本发明中的单板计算机插在VME机箱的第一槽位时，由跳线或者软件程序配置为VME总线控制器，，如果是插在第一槽位，配置成VME总线控制器，所述单板计算机全局复位时引发VME总线复位信号，如果不是插在第一槽位，则不配置成VME总线控制器；VME总线复位信号引发所述单板计算机全局复位信号。作为总线控制器，该节点可以按照优先级仲裁或者循环仲裁的方式完成总线仲裁。当所述单板计算机插在VME机箱中的任意槽中时，该单板计算机被配置成VME总线主设备，通过软件配置PCI-VME总线桥寄存器，将VMEA16，VMEA24，或者VMEA32总线地址空间映射到PCI地址空间，通过配置龙芯2F内置的PCI控制器寄存器，将相应的PCI地址空间映射到CPU物理地址空间，内核态程序可以通过访问CPU物理地址空间访问VME地址空间，通过配置页表，将CPU物理地址空间映射到程序地址空间，用户态程序可以通过本程序的程序空间直接访问VME地址空间；对VME从设备完成8bit到64bit数据宽度的读写。完成VME从设备的配置，数据的发送和读取。该节点还可以作为VME从设备，将VME总线的A16，A24，或者A32空间映射到板载DDR2内存物理空间，接受来自于VME总线的8bit到64bit数据宽度的读写。当本发明中的单板计算机作为VME总线主设备时，产生或者响应VME总线1_7级中断信号。该节点可以作为主设备，发起块读或写传输。正常情况下，该节点的块传输的字节数为预先软件预先设定好的固定字节数。在块传输中，如果从设备发生异常，则发出VME总线BUS_ERR0R信号，非正常结束该次块传输。该节点也可以通过软件配置为能接受以VME总线上BUS_ERR0R信号为结束的多块从设备的链式块传输。在这种模式下，本发明中的单板计算机作为VME主设备预先不知道块传输的字节数。参与传输的最后一块从设备在完成传输后，发出BUS_ERR0R信号作为传输完成的标志信号。在这种模式下,按照传输正常完成处理。传输正常结束或者非正常结束后，PCI-VME总线桥都要给CPU发送中断信号。 本发明的单板计算机采用龙芯2F CPUl，具有VME64总线接口。提供比目前使用的单板计算机更高的性能，较低的功耗，可以提升高能物理实验的数据获取系统及控制系统中前端节点的性能功耗比，大幅度降低数据获取系统及控制系统的建造成本。图2所示，龙芯2F CPU的计算性能比目前在高能物理数据获取及控制系统中所使用的前端单板计算机的CPU性能高，功耗低。本发明采用nbench CPU测试程序集对其进行了性能测试。内存性能指数为3. 208，整数运算性能指数为5. 380，浮点运算性能为4. 778。明显优于高能物理试验目前所使用的CPU的上述性能。本发明中的单板计算机通过IOM/1OOM/1000M网络接口、VME总线进行在线固件更新。本发明的优点在于1.通过将龙芯2F CPU与PCI-VME总线桥相结合，实现了基于龙芯2f CPU的具有VME总线接口模块3的单板计算机。2.该单板计算机可以作为VME总线控制器，VME总线主设备，VME总线从设备。3.该单板计算机具有高性能，低功耗，低成本的优势。本发明中所涉及的单板计算机，外形采用VME 6U和9U尺寸设计,通过自身的VME总线接插件插在VME机箱中。本发明设计的基于龙芯2F CPU的单板计算机，提供了在高能物理实验中常用的VME总线接口，能够较好地完成高能物理实验中对于前端计算机的要求，将能够大幅度降低数据获取和控制系统建造和维护成本，提供很高的性能功耗比。同时也为龙芯2F CPU的实用提供了一个很好的解决方案。该单板计算机也可以推广到军工，工业领域使用。以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，本发明的所有范围应以下述的范围为准，凡符合于本发明权利要求保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或调整皆可涵盖在以下本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1.一种基于龙芯2F CPU的单板计算机，其特征在于，包括龙芯2F CPU(1)、DDR2内存模块(2 )、VME总线接口模块(3 )、千兆网络模块(4 )、MINI PCI插槽(5 )、复位管理电路(6 )、系统时钟源与PCI时钟源(7 )、电源模块(8 )、固件FLASH电路(9 )、实时时钟(10 )、看门狗电路(11)、8位DIP开关(12)、I2C总线接口电路(13)和串口以及外设(14)，其中， 所述的龙芯2F CPU通过PCI总线(15)与所述的千兆网络模块(4)、所述的MINI PCI插槽(5)和VME总线接口模块(3)相连接； 所述的实时时钟(10)、所述的看门狗电路(11)、所述的8位DIP开关(12)、所述的I2C总线接口电路(13)以及所述的串口及外设通过LOCAL-_IO接口( 16)与所述的龙芯2F CPU(O相连接； 所述的龙芯2F CPU (I)通过所述的VME总线接口模块(3)与VME总线接插件相耦合。
2.如权利要求I所述的单板计算机，其特征在于所述的DDR2内存模块(2)包括SO-DIMM内存插槽及DDR2内存条，DDR2内存条通过SO-DIMM内存插槽与所述的龙芯2F CPU(1)相连接。
3.如权利要求1所述的单板计算机，其特征在于所述的单板计算机通过自身的VME总线接插件插在VME机箱中。
4.如权利要求1所述的单板计算机，其特征在于所述的单板计算机采用VME6U和VME 9U外形设计。
5.如权利要求1所述的单板计算机，其特征在于所述的VME总线接口模块(3)包括UNIVERSE II PCI-VME总线桥，VME总线驱动电路，接插件，PCI总线电压转换电路，其中UNIVERSE II PCI-VME总线桥通过PCI总线电压转换电路与PCI总线(15)相连接，通过VME总线驱动电路与VME总线接插件相连接.。
6.如权利要求I所述的单板计算机，其特征在于所述的千兆网络模块(4)包括网络控制器、隔离变压器、RJ45接口，网络控制器与PCI总线(15)直接相连接，通过隔离变压器与RJ45接口相连接。
7.如权利要求I所述的单板计算机，其特征在于所述单板计算机通过跳线配置所述的系统时钟源和PCI时钟源(7)的频率，以适应不同的工作环境。
8.如权利要求I所述的单板计算机，其特征在于所述复位管理电路(6)的输入有电压就绪信号，手动复位信号，软件复位信号和通过跳线选择的VME总线复位信号。
9.如权利要求7所述的单板计算机，其特征在于所述的系统时钟源与PCI时钟源(7)中的系统时钟源负责给CPU提供系统时钟、DDR2内存控制器的时钟信号；PCI时钟源负责给所述的龙芯2F CPU (1)的PCI控制器以及各个PCI设备提供相位同步的时钟信号。
10.如权利要求1所述的单板计算机，其特征在于所述的固件FLASH电路(9)通过SMT插槽安装在电路板上，并提供在线擦写。
11.如权利要求1所述的单板计算机，其特征在于所述单板计算机在上电时和运行期间定时获取时间信息，定期复位所述的看门狗电路(11)。
12.—种如权利要求1至11任一所述的单板计算机的实现复位管理的方法，其特征在于所述电源模块(8)的各供电电压通过比较器与标准电压相比较；当所述的供电电压达到所述的标准电压的90%以上时，给出相应电压就绪信号*_0K，对于有上电顺序控制要求的电压等级，将上一级电压就绪信号接入下一级电压使能控制端子；最后一级电压就绪信号与所述的手工复位信号、所述的软件控制的复位信号、根据跳线选择的所述的VME总线复位信号线与后作为复位控制信号提供给所述的复位控制电路；当所述的复位控制信号为低电平时，触发所述复位控制电路去抖动后输出全局复位信号，并保持至少120ms。
13.—种如权利要求I至11任一所述的单板计算机在高能物理实验中的使用方法，其特征在于所述单板计算机插在VME机箱的任一槽中时，能够作为数据获取系统中的前端数据获取计算机，接受上位计算机的指令及配置；或者完成对其它VME插件的配置、控制其它VME插件的运行、读取实验数据、对实验数据检查数据完整性，进行在线修正，完成在线封装后，打包后发往上位计算机；或作为控制系统中的前端控制计算机，接收上位计算机及其它前端控制计算机的设定、指令及数据；完成对其他插件的配置；读取反馈变量；完成闭环控制、开环控制或程序控制运算；设定控制变量；将控制变量及反馈变量发往上位计算机及其他前端控制计算机。
14.如权利要求13所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机作为测试插件，插在VME机箱除第一槽的任一槽中，模拟仿真特定VME插件，接收上位计算机的配置，接受所述的VME机箱内其他单板计算机的访问，产生仿真数据，测试系统性能。
15.如权利要求13所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机插在VME机箱除第一槽的任一槽中，作为协处理插件，接受所述的VME机箱内其他插件的访问，处理其他插件写入的数据，通过网络及VME总线输出处理结果。
16.如权利要求13所述的使用方法，其特征在于，所述单板计算机作为VME总线控制器，作为数据获取或者控制系统中前端控制计算机使用时，将所述的单板计算机插在VME机箱第一槽，通过跳线或者程序配置，配置为VME总线控制器，完成VME总线请求的优先级仲裁或者循环仲裁；或 将所述的单板计算机插在VME机箱中的任一槽中，作为VME总线主设备，通过软件配置PCI-VME总线桥寄存器，将VME A16、VME A24、VME A32总线地址空间映射到PCI地址空间，通过配置所述的龙芯2F CPU (I)内置的PCI控制器寄存器，将相应的PCI地址空间映射到CPU物理地址空间，内核态程序可以通过访问CPU物理地址空间访问VME地址空间，通过配置页表，将CPU物理地址空间映射到程序地址空间，用户态程序可以通过本程序的程序空间直接访问VME地址空间；完成8bit到64bit宽度的数据读写。
17.如权利要求13所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机作为测试插件或者协处理插件时，执行以下步骤将所述单板计算机插在VME机箱中除第一槽的任一槽中，通过软件配置PCI-VME总线桥参数及所述的龙芯2FCPU (I)内置的PCI总线控制器的参数；将VME总线地址空间映射到板载的所述的DDR2模块(2)地址空间，响应VME A16，A24，A32地址空间的访问，完成Sbit到64bit宽度的数据读写，将所述单板计算机配置为VME从设备时，通过程序配置PCI-VME总线桥寄存器产生1-7级VME总线中断信号。
18.如权利要求16所述的使用方法，其特征在于当所述单板计算机插在VME总线机箱第一槽时，所述单板计算机全局复位时引发VME总线复位信号；当所述单板计算机插在VME总线机箱除第一槽的其他槽位时，VME总线复位信号引发所述单板计算机全局复位信号。
19.如权利要求1所述的使用方法，其特征在于所述的单板计算机通过所述的8位DIP开关(12)配置MAC或IP地址的最后8位,作为所述的单板计算机的系统标志。
20.如权利要求I所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机通过所述的I2C接口电路(13)，外接具有I2C接口的温度传感器，监控关键器件和机箱温度。
21.如权利要求I所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机通过所述的实时时钟(10)及所述的看门狗电路(11)，在上电时和运行期间定时获取时间信息，定期复位所述的看门狗电路，检测系统运行情况，防止系统死机。
22.如权利要求I所述的使用方法，其特征在于所述单板计算机通过10M/100M/1000M网络接口、VME总线进行在线固件更新。
全文摘要
本发明公开了一种基于龙芯2F CPU的单板计算机及其复位管理和使用方法，该单板计算机包括龙芯2F CPU、DDR2内存模块、VME总线接口模块、千兆网络模块、MINI PCI插槽、复位管理电路、系统时钟源与PCI时钟源、电源模块、固件FLASH电路、实时时钟、看门狗电路、8位DIP开关、I2C总线接口电路和串口以及外设，其中龙芯2F CPU通过PCI总线与千兆网络模块、MINI PCI插槽和VME总线接口模块相连接，与VME总线接插件相耦合；实时时钟、看门狗电路、8位DIP开关、I2C总线接口电路以及所述的串口及外设通过LOCAL_IO接口与龙芯2F CPU相连接。本发明通过上述设计解决了龙芯2F CPU大规模产业化问题，具有高的性能、低的成本、低功耗的优点。
文档编号G06F1/24GK102880235SQ201210265128
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者庄建, 朱科军, 初元萍, 金大鹏, 胡磊, 顾旻皓 申请人:中国科学院高能物理研究所