引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對網(wǎng)絡硬件設備的性能提出了越來越高的要求，對硬件設備的數(shù)據(jù)處理能力和設備之間的通信傳輸交換能力的要求也在逐步提高。設備可采用雙處理器、雙操作系統(tǒng)，雙系統(tǒng)獨立運行、分工協(xié)同工作以完成不同功能任務的方式提升網(wǎng)絡設備的功能和性能。硬件上設計 2 套處理器系統(tǒng)電路，預留豐富的對外接口 ；軟件方面采用 VxWorks 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時性、可靠性、互聯(lián)性優(yōu)異。雙處理器構架的網(wǎng)絡設備硬件設計具有一定的經(jīng)濟性、適用性和擴展性，在物聯(lián)網(wǎng)領域具有一定的推廣應用價值。

根據(jù)雙處理器、雙操作系統(tǒng)可分工協(xié)同完成數(shù)據(jù)處理、運算控制的使用需求，在一個電路模塊上設計實現(xiàn)兩套相對獨立的 CPU 處理電路，兩個 CPU 之間通過以太網(wǎng)通信，且處理電路對外有多種接口。設計如圖 1 所示。

1 芯片選型

1.1 X86 處理器選擇

處理器選用 Intel 低功耗凌動處理器 N2600。N2600 具有功耗低、雙核 4 線程、主頻 1.60 GHz、1 MB 緩存、2.5 GT/s總線速度、內部集成顯卡等優(yōu)點 [1]。該處理器除了支持Windows XP 操作系統(tǒng)外，還支持 VxWorks 操作系統(tǒng)，配合橋片使用可滿足各種接口擴展需求。

1.2 橋片選擇

橋片選用英特爾 Intel CG82NM10 PCH，該橋片支持 PCI與 4 通道 PCIE，可配置為 1 個 4x 或 4 個 1x PCIE 總線，支 持 8 路 USB 端口 [2]。NM10 橋片配合 Intel N2600 處理器完成對外接口和總線的擴展，N2600 處理器配合 NM10 橋片使用，可滿足低功耗需求。

2 電路設計

2.1 電路組成

系統(tǒng)硬件如圖 2 所示。系統(tǒng)由三個功能區(qū)電路組成，分別為 2 個 CPU 系統(tǒng)電路和電源管理電路。2 個 CPU 系統(tǒng)電路完全相同，包含 CPU 最小系統(tǒng)和相應的外設接口。CPU最小系統(tǒng)包括 N2600 處理器、NM10 橋片、BIOS FLASH 芯片、DDR3 外置存儲器和 SSD 電子盤。該最小系統(tǒng)最多可提供4 條 PCIE 1x 總線，8 個 USB，2 個 SATA，2 個顯示口。本設計中每個最小系統(tǒng)只使用 2 條 PCIE 1x 總線，2 個 USB， 1 個 SATA，1 個顯示口。

2.2 網(wǎng)口設計

設計多路以太網(wǎng)口用于與數(shù)據(jù)輸入輸出、對外部系統(tǒng)進行控制。N2600 處理器無以太網(wǎng)接口，設計使用 NM10 的PCIE 接口通過以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)網(wǎng)口擴展。以太網(wǎng)控制器采用 Intel 公司設計生產的 82574 千兆位以太網(wǎng)控制器，配合對應的變壓器、TVS 保護器件實現(xiàn)多路以太網(wǎng)口擴展目的。NM10可提供四組PCIE 1x總線，滿足三片82574的使用需求，每個 1x 的 PCIE 接口外接一片 82574。

82574 支持 802.3X 流控制規(guī)范、802.1QVLAN 規(guī)范與MAC 地址過濾 ；支持 MAC 自循環(huán)模式 ；兼容 1 Gb/s IEEE 802.3，802.3u，802.3ab 規(guī)范 ；支持 IEEE 802.3ab 自動協(xié)商機制規(guī)范 ；支持 10/100/1 000 Mb/s 全雙工 ；支持 10/100 Mb/s半雙工 [3]。

2.3 VGA 接口設計

設計 VGA 接口用于軟件開發(fā)調試。N2600 處理器內部集成有 GPU，GPU 的對外顯示接口采用數(shù)字顯示接口DisplayPort。采用 DisplayPort 接口的顯示器較為少見，選用CH7517 芯片將 DisplayPort 轉換成標準 VGA 模擬顯示器接口 [4]，方便連接顯示器。

2.4 USB 接口設計

設計 USB 接口用于外接鍵盤。USB 接口數(shù)據(jù)線上連接 TVS 保護器，用于接口過流、過壓、靜電保護。USB 接口的 5 V 電源串接可恢復保險管，以確保 USB 口的安全使用。

2.5 串口設計

設計 RS 232 串口用于開發(fā)調試。RS 232 接口由 NM10上的 LPC 總線接口通過 IT8515E 芯片 [5]、電平轉換芯片MAX3232[6]、TVS 保護器實現(xiàn)。

2.6 CPLD 控制電路

CPLD 控制電路包括 CPLD 芯片、復位監(jiān)控芯片等。CPLD 選用 Xilinx 公司設計生產的 XC3S700AN[7]，看門狗由CPLD 內部邏輯完成。復位監(jiān)控芯片選用 Maxim 公司設計生產的 MAX706[8]。CPLD 和 MAX706 配合完成上電控制、復位控制、電源監(jiān)控、狀態(tài)指示等功能。系統(tǒng)上電后，CPLD首先啟動，MAX706 復位電路提供的復位信號通過 CPLD 復位兩個 CPU。復位結束后放開復位信號，CPU 啟動。設計使用復位按鍵可復位整個系統(tǒng)。CPU 工作時，定時通過 GPIO信號送清狗信號給 CPLD，當 CPU 死機后，無清狗信號且達到設定的時間后，CPLD 復位 CPU。

2.7 電源管理電路

電源管理電路實現(xiàn)電源保護、電源監(jiān)控功能，還設計有防止反接、過壓保護、過流保護及短路保護等功能。設定過壓閾值點與過流保護點，在過壓、低壓或超過設定閾值時均會自動保護。

3 操作系統(tǒng)

軟件操作系統(tǒng)為 VxWorks。VxWorks 操作系統(tǒng)是 Intel旗下美國風河公司（Wind River）推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，被廣泛應用在航空航天、通信、工業(yè)、醫(yī)療、消費電子、網(wǎng)絡通信等領域，VxWorks 操作系統(tǒng)在安全性、互聯(lián)性、可靠性、設備管理、用戶交互等方面性能優(yōu)異 [9]，可以滿足目前物聯(lián)網(wǎng)設備的使用要求。

VxWorks 支持在線調試，網(wǎng)絡加載 ；支持標準 C 庫API ；設計 BootLoader 分別提供基于網(wǎng)絡和本地 Image 文件的加載模式。系統(tǒng) BIOS 采用 AMIBIOS，電路模塊啟動時，CPU 首先啟動標準的 AMIBIOS，在設置界面使用鍵盤操作設置啟動方式、CPU設置等。系統(tǒng)設置成SATA硬盤啟動方式，SATA 硬盤設置為 IDE 模式。在 BIOS 狀態(tài)下，內存、PCIE設備進行初始化，鍵盤等 USB 設備可以使用。

BIOS 啟動后，自動運行 Bootrom 加載 Vxowoks 操作系統(tǒng)鏡像，啟動 VxWorks 操作系統(tǒng)。VxWorks 操作系統(tǒng)包括網(wǎng)卡、USB、硬盤、串口、顯卡驅動，且支持網(wǎng)口和串口調試與顯示器命令行文字顯示。VxWorks 采用 DosFs 文件系統(tǒng)，支持標準 RS 232 串口設備和標準 I/O 設備，可提供相關函數(shù)接口，同時 Vxworks 操作系統(tǒng)還支持 TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議棧，可提供 FTP，Telnet，Socket 編程等網(wǎng)絡功能 [10]。

4 測試方法

分別測試每個 CPU 的系統(tǒng)電路和接口，測試方法如圖 3所示。

4.1 應用程序更新測試

通過網(wǎng)口將 CPU 的測試程序下載至板子的 SSD 中，重新加電且應用程序運行成功后，通過顯示器顯示運行成功信息。

4.2 DDR3 SDRAM 讀寫測試

CPU 分別以全 0、全 F、遞增數(shù)三種數(shù)據(jù)格式寫滿SDRAM 進行回讀校驗，統(tǒng)計校驗錯誤數(shù)量，并將結果通過顯示器顯示。

4.3 網(wǎng)口測試

使用計算機對 2 個網(wǎng)口持續(xù)測試數(shù)萬包 65 500 B 的數(shù)據(jù)不丟包，CPU 之間的網(wǎng)口持續(xù)測試數(shù)萬包 65 500 B 的數(shù)據(jù)不丟包。

4.4 串口測試

CPU 通 過 RS 232 接口與計算機通信， 其波特率為115 200 bps。數(shù)據(jù)格式 ：1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位，無校驗位。測試時，每幀為 256 B，從 0 開始按 1 累加數(shù)據(jù)，處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時，計算機通過串口調試助手或環(huán)回測試將接收到的數(shù)據(jù)進行校驗 ；處理器接收數(shù)據(jù)時，接收計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)后進行校驗，顯示測試結果。

4.5 USB 接口測試

USB 接口接鍵盤對 VxWorks 系統(tǒng)進行操作調試。

4.6 VGA 顯示接口測試

VGA接口接顯示器可正常顯示VxWorks系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

4.7 功耗測試

直流電源加電，根據(jù)直流電源的電壓、電流顯示計算電路的功耗。

5 結 語

文章介紹了一種雙 X86 構架的網(wǎng)絡設備硬件設計方法與硬件電路測試方法。雙 X86 處理器可設置為每個處理器獨立工作，雙處理器分工完成不同任務的模式，實現(xiàn)雙重功能 ；也可以設置為處理器之間互為備份，冗余工作的模式，提升系統(tǒng)的任務可靠性。該網(wǎng)絡設備的硬件設計具有接口豐富、實時性好、功耗低、體積小、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)領域有著廣闊的應用空間。