Фельдман В.М.

К.т.н. В.М. Фельдман
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ВСТРОЕННЫХ И МОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВ
НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРА 1891ВМ3
Описываются структура и характеристики модуля, реализованного по стандарту ETX на микропроцессоре 1891ВМ3.
Введение
Микропроцессор 1891ВМ3, спроектированный в ЗАО «МЦСТ» при участии ОАО
«ИНЭУМ им. И.С. Брука», был разработан в первую очередь для использования в военной
аппаратуре. Однако, архитектурные решения, структура и полученные характеристики
позволяют с успехом применять этот микропроцессор в гражданской технике.
На базе микропроцессора 1891ВМ3 построен ряд модулей, которые могут успешно
использоваться в промышленности, там, где требования к вычислительной технике близки
к требованиям, предъявляемым военными. В частности, эти модули могут использоваться
во встроенных и мобильных системах, работающих в широком диапазоне температур, выдерживая жесткие механические воздействия, в условиях повышенного содержания пыли,
грязи и влаги в окружающей среде.
Понятие вычислительного модуля для встроенной системы предполагает, что этот
модуль встроен в устройство, которым он управляет. Примерами встроенных систем могут служить средства авионики, карманные персональные компьютеры (КПК), телекоммуникационное оборудование и тому подобные устройства.
Характерными особенностями вычислительных модулей для встроенных систем
являются:
 невысокое энергопотребление (от десятых долей до двух-трех десятков ватт);
 маленькие размеры;
 отсутствие сложных систем отвода тепла (кондуктивные, принудительно воздушные и другие);
 использование технологии «система на кристалле»;
 малая стоимость.
Понятие мобильной вычислительной системы в первую очередь связано с перевозимыми и переносимыми компьютерами и, прежде всего, с ноутбуками. Требования для
вычислительных модулей, используемых в мобильных системах, по сути те же, что и для
встраиваемых систем. Однако значения энергопотребления модулей для мобильных систем находятся в области максимальных значений указанного выше диапазона. Соответственно, стоимость модулей для мобильных систем может быть больше, поскольку эти
модули являются основой продукта, и требования к ним, с точки зрения функциональности, выше.
Важным фактором, позволяющим легко адаптировать вычислительные модули к
различным системам, является то, что они обычно реализуются по стандартам, широко
используемым в индустриальном классе.
В последующем изложении будут рассмотрены структура и характеристики модуля, построенного на базе микропроцессора 1891ВМ3, реализованного по стандарту ETX.
Микропроцессор 1891ВМ3
Перед тем как описывать модуль, кратко рассмотрим основные черты микропроцессора 1891ВМ3 [1].
Микросхема 1891ВМ3 представляет собой двухпроцессорную систему на кристалле с общим для обоих процессоров внутренним кэшем второго уровня, контроллером оперативной памяти и набором периферийных контроллеров для доступа к внутренним узлам
компьютера и внешним каналам и линиям связи.
Структурная схема 1891ВМ3, представленная на рис. 1, содержит:
 два универсальных процессора CPU0 и CPU1 с тактовой частотой 500 МГц;
 общую кэш-память второго уровня L2 cache объемом 512 Кбайт;
 системный коммутатор SCOM;
 контроллер MС оперативной памяти DDR SDRAM;
 контроллер МРI внешней периферийной шины PCI;
 контроллер внешней периферийной шины SCSI для доступа к магнитным и оптическим дискам;
 контроллер канала Ethernet 10/100;
 контроллер канала PS/2 для связи с клавиатурой и графическим манипулятором;
 контроллер последовательных каналов RS-232;
 контроллер каналов удаленного доступа RDMA c выходом на LVDS links;
 контроллер сопряжения системного и периферийного интерфейсов MSI;
 контроллер внутренней периферийной шины EBus для доступа к ПЗУ, таймерам,
системе прерываний и ГМД.
Рис. 1
Структурная схема системы на кристалле 1891ВМ3
Структура 1891ВМ3 представляет собой почти полную схему современной ЭВМ
(без оперативной памяти и внешних устройств). Номенклатура контроллеров была выбрана исходя из стремления реализовать в первую очередь контроллеры с высокой пропускной способностью, контроллеры для внутренних узлов ЭВМ, и ограничивалась лимитом
внешних выводов микросхемы.
Основные технические характеристики системы на кристалле 1891ВМ3 сведены в
табл. 1.
2
Таблица 1
Основные технические характеристики системы на кристалле 1891ВМ3
Наименование параметра
Процессор
Производительность
Внутренняя кэш память
Оперативная память
Периферийная шина PCI
Канал удаленного доступа RDMA
Ethernet 100
SCSI-2
RS-232
Потребляемая мощность, Вт
Количество транзисторов, млн. шт.
Напряжение питания, В
Корпус
Технология
Площадь кристалла, мм2
* данные одного процессора
Значение
Тип процессора – МЦСТ – R500
Количество процессоров – 2
Тактовая частота – 500 МГц
1000 MIPS/400 MFLOPS
Кэш первого уровня:
команд – 16 Кбайт*
данных – 32 Кбайт*
Кэш второго уровня – 512 Кбайт
Емкость до 2 Гбайт
Пропускная способность канала – 2,664 Гбайт/с
Пропускная способность шины – 264 Мбайт/с
Количество каналов – 2
Тип канала – дуплексный
Пропускная способность канала в одном направлении – 667 МБайт/с
Пропускная способность канала – 100 Мбит/с
Пропускная способность шины – 10 Мбайт/с
Количество каналов – 2
Пропускная способность канала – 115 Кбит/с
5
45
1,0 для внутренних схем
2,5 и 3,3 для периферии
900 FCBGA
КМОП 0,13 мкм, 8 слоев металла
9×9
Модуль в стандарте ETX
Первоначальная версия спецификации ETX (Embeded Technology eXtended) была
представлена фирмой Kontron в январе 2000 года как открытый стандарт, отражающий
потребности встраиваемых индустриальных приложений [2].
Этот стандарт был направлен на создание систем «компьютер на модуле» СОМ
(computer-on-module). Такая система строится на базе модуля, который является законченным компьютером, но без набора стандартных соединителей, используемых в компьютерах IBM PC для подключения периферии, включая диски, монитор, клавиатуру, пользовательские PCI-слоты и другие элементы компьютера. Для того чтобы сделать такое подключение, требуется несущая плата с подключаемым необходимым набором периферии, в
которую устанавливается ETX-модуль.
Основные характеристики и преимущества ETX-модуля:
 компактность, размер модуля 95мм×114мм;
 наличие в модуле оперативной памяти и набора внешних интерфейсов для построения персонального компьютера: графический, последовательные, параллельный, USB, IDE, audio, PCI и др.;
 унифицированные надежные соединители со стандартизованной разводкой сигналов и с возможностью добавления новых интерфейсов;
 невысокая стоимость.
3
Сегодня в мире производится и применяется большое количество модулей стандарта ЕТХ, построенных на базе микропроцессоров с архитектурой х86 фирмы Intel [3].
Разработчики ЗАО «МЦСТ» предлагают модуль, аппаратно совместимый с импортными,
но построенный на отечественном микропроцессоре 1891ВМ3.
На рис. 2 дана функциональная схема ЕТХ-модуля на базе микропроцессора
1891ВМ3 (в некоторых литературных источниках еще называемого R500S).
Рис. 2
Функциональная схема ЕТХ-модуля на базе микропроцессора 1891ВМ3
Модуль состоит из следующих основных функциональных элементов:
 микропроцессор 1891ВМ3 (R500S);
 оперативная память 512 Мбайт, реализованная на девяти микросхемах динамической памяти DDR SDRAM;
 мультиконтроллер MCU-ETX, реализованный на ПЛИС фирмы Altera и включающий video-контроллер, audio-контроллер AC97, контроллер дискового интерфейса IDE и контроллер параллельного порта Pport;
 контроллер интерфейса USB 2.0;
 флэш-ППЗУ 512 Кбайт для хранения программы начальной загрузки BOOT;
 часы реального времени RTC;
 энергонезависимая память 32 Кбайта для хранения начальных установок и параметров модуля;
 микросхемы физического уровня интерфейсов Ethernet, Video, Audio, Pport,
Serial, Kb/mouse;
 видеопамять VideoMem;
 четыре стандартных соединителя модуля формата ETX (HIRO SE FX8-100);
4
 преобразователи питания DC-DC;
 схемы синхронизации;
 порты JTAG.
В модуле, реализованном на микропроцессоре 1891ВМ3, максимально используются функциональные возможности этого микропроцессора. Задействованы почти все интерфейсы, кроме дискового интерфейса SCSI, который в стандарте ETX заменен на IDE, и
второго канала удаленного доступа RDMA. Этот канал оставлен в резерве для дальнейшей
модернизации модуля и перехода на реализацию спецификации ETXexpress.
Для этого в новой версии модуля предполагается модифицировать мультиконтроллер MCU-ETX. В него будет введен второй канал RDMA из микропроцессора 1891ВМ3 и
внутри реализован мост перехода с интерфейса RDMA в интерфейс PCI Express.
Модуль ETX на базе микропроцессора 1891ВМ3 конструктивно и функционально
совместим с аналогичными модулями, построенными на микропроцессорах фирмы Intel, и
работает под операционной системой Linux. Проигрывая этим модулям по тактовой частоте (500 МГц), модуль на микропроцессоре 1891ВМ3 компенсирует этот проигрыш тем,
что содержит два процессорных ядра. Кроме того, он имеет малую потребляемую мощность (около 10 Вт), что делает его очень привлекательным для использования во встроенных и мобильных системах.
Литература
1. Фельдман В.М. Cистема на кристалле 1891ВМ3 // Датчики и системы. – 2007. – №. 10.
2. ETX Specification. Document Revision 3.02.
3. http://www.kontron.com.
5