基于飞腾芯片的设计与调试入门指导

 

一、啥是自主可控

国产CPU现在厂家细算起来其实有很多，现在华为、小米也在做自己的CPU，瑞芯微、全志等的SoC现在也是广泛应用。但是真正能叫做自主可控的CPU厂商，只有6家。那啥是自主可控？首先来不严谨的讲下现在数字芯片是怎么做的设计。FPGA大家都知道，可以通过Verilog或者VHDL等硬件编程语言实现硬件功能。比如，我要实现一个SPI控制8个LED灯的功能，可能从市面上找这种功能的芯片是没有的，那么我就可以自己指定控制LED的指令，通过使用FPGA自己编成，解析SPI传下来的指令，控制LED的亮灭。如果测试验证没有问题，那么就可以把FPGA的RTL拿出来，经过处理拿去流片，流片完成给芯片起个名字，比如YKS2D8001，这就成为了市面上能够实现SPI接口控制8个LED的ASIC芯片了。同时，咱们FPGA的实现代码，也可以拿出来当成一个IP，以后谁要想使用FPGA来实现这个功能的时候，就可以拿来用而不用再单独购买咱们流片完成的ASIC芯片YKS2D8001。

那么，咱们在做复杂功能FPGA的时候，比如xilinx的，咱们会调用xilinx提供的现成的IP，比如它的DDR控制器IP、PCIe IP或者更简单些的串口IP、IIC IP。这些IP咱们在程序实现时，是可以直接调用，根据xilinx提供的操作手册把这个IP给用起来的，但是这个IP核的实现代码，咱们是看不到的，如果咱们想改IP核内的代码，那肯定是没办法的。这就是非自主可控。自主可控，就是能够掌握IP的所有代码，自己想改就改。

飞腾就是国内自主可控6家之一。也就是可以简单的理解为飞腾芯片内的每行代码，每一个功能实现，都是自己实现的。这里有人会说，飞腾不是arm64的么，那是arm的呀。是的，飞腾是arm64的，但是飞腾是购买的arm的指令集授权。指令集授权大家可以通俗的认为就是购买了函数名，但是函数实现是自己做的。所以即使是arm64，也是自主可控的。

二、基于飞腾芯片的设计

2.1 最小系统硬件设计

要想让飞腾CPU加电后跑起来，硬件设计上有几个部分是必须有的。时钟、供电、内存、调试串口、QSPI Flash接口、存储。下面就针对每个部分详细说一下。

2.1.1 时钟

时钟不用多说，所有的芯片都需要时钟。飞腾芯片需求的时钟主要就是两种，1是芯片的主时钟48MHz，2就是芯片的PCIe控制器PEU的时钟100MHz。这个100MHz时钟要求PEU和外设同源，也就是从同一个时钟发生器产生，HSCL电平标准，AC耦合。并且设计时，即使PEU不用，PCIe时钟也是要接的。

图 CPU总的时钟框图

图 PEU0的时钟

图 PEU1的时钟

2.1.2 供电和电源管理

飞腾的电源种类并不多，需要0.8V（核电）、1.2V（VDDQ）、1.8V（IO）三种。其他电源域基本都可以直连或者通过磁珠连接到这三个电源中，这里就参考demo设计就可以了。

这里需要提示的是：

1.就近放置在芯片电源管脚下的电容为4.7uF，这里尽量不要修改。

2.CPU有一个3.3V的电源管脚，这里给供一个3.3V过来即可。

3.各个电的最大电流一定要查手册，设计电源时一定要保证满足。

4.各个电的纹波不能超5%。注意，这里说的是整个运行状态下，就是BIOS阶段、OS系统启动和运行阶段，是都不能超的。这里特别强调，非常重要！

说到电源，就不得不说电源管理。借鉴x86的电源管理状态，飞腾CPU也有电源管理的几个状态。

图 飞腾CPU电源状态

S0就是正常工作的状态，S3就是类似window的睡眠，即待机状态压到内存中，所以要求内存一直带电。S4/S5就是类似window的休眠和关机，即待机状态压到硬盘，或者就是直接关机了，这个时候整板都会掉电。

那么有人问了，S4/S5是俩状态呀？一个是休眠系统状态压到硬盘，一个是关机，这俩放一起咋区分呢？其实不用区分，系统状态压到硬盘了，就已经是被固定保存了，即使掉电也不会有数据丢失，这里应该没错吧。所以对于电源管理来说，S4/S5状态时都是要掉电的。那么S4、S5的区别，主要在下一次开机时。如果去看系统下去执行休眠和关机时的log信息，可以看出，休眠和关机系统处理是不同的，他们会置不同的标志。那么在下次开机的时候，这个置的标志，就能够告知系统要从哪种状态启动。

到这里，供电和电源管理的几个状态应该就说清了，那么现在实际问题来了，供电我能明白，就是使用电源芯片供电嘛。那么这个电源管理，我咋做？

那么下面，我们就一个一个的来说。

首先，我们一个板子肯定是从未加电状态转为加电状态，让CPU跑起来。那么对应上面的状态，那就是S4/S5状态到S0状态，也就是断电关机状态到上电工作状态。这个状态的控制，其实就是对CPU各个电源域上电时序的控制。所以，做硬件不用想太多，从未加电到加电让CPU跑起来，换句话说就是从S4/S5状态到S0状态的实现，就是你想办法把你给CPU的各个电按下面时序跑完就好了。在保证电路设计的情况下哈，只要你按时序跑完，CPU肯定就启动了，也就到了S0阶段。

图 S4/S5到S0开机时序图

那么，你能猜到了吧，S0到S4/S5是咋弄，其实也一样，也是跑电时序。但是……硬件工程师又问了，板子系统正好好的跑着呢，我咋知道要去跑掉电时序呢？这个问题问的很好。去执行掉电时序，总是要收到信号的，那么这个信号在时序图中是能够看出来的，就是图中标绿的部分。PWR_CTR0、PWR_CTR1这两个是CPU芯片上的两个管脚，当我们在OS系统下点了休眠或者关机命令时，系统肯定是要先去保存自己的状态到硬盘，当保存完了，OS会通过PWR_CTR0、PWR_CTR1这两个管脚，发送脉冲出来（应该是4脉冲代表重启，8脉冲代表转S3状态，12脉冲代表转S4/S5状态），告诉外边可以去跑掉电时序了。外边收到这个脉冲后，自己根据掉电时序去跑就可以了。

图 S0到S4/S5关机时序图