【視頻版】基於飛騰晶元的設計與調試入門指導

飛騰愛好者技術交流群碼公眾號“烏拉大喵喵”

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一、啥是自主可控

國產CPU現在廠家細算起來其實有很多，現在華為、小米也在做自己的CPU，瑞芯微、全志等的SoC現在也是廣泛應用。但是真正能叫做自主可控的CPU廠商，只有6家。那啥是自主可控？首先來不嚴謹的講下現在數字晶元是怎麼做的設計。FPGA大家都知道，可以通過Verilog或者VHDL等硬體編程語言實現硬體功能。比如，我要實現一個SPI控制8個LED燈的功能，可能從市面上找這種功能的晶元是沒有的，那麼我就可以自己指定控制LED的指令，通過使用FPGA自己編成，解析SPI傳下來的指令，控制LED的亮滅。如果測試驗證沒有問題，那麼就可以把FPGA的RTL拿出來，經過處理拿去流片，流片完成給晶元起個名字，比如YKS2D8001，這就成為了市面上能夠實現SPI介面控制8個LED的ASIC晶元了。同時，咱們FPGA的實現代碼，也可以拿出來當成一個IP，以後誰要想使用FPGA來實現這個功能的時候，就可以拿來用而不用再單獨購買咱們流片完成的ASIC晶元YKS2D8001。

那麼，咱們在做複雜功能FPGA的時候，比如xilinx的，咱們會調用xilinx提供的現成的IP，比如它的DDR控制器IP、PCIe IP或者更簡單些的串口IP、IIC IP。這些IP咱們在程式實現時，是可以直接調用，根據xilinx提供的操作手冊把這個IP給用起來的，但是這個IP核的實現代碼，咱們是看不到的，如果咱們想改IP核內的代碼，那肯定是沒辦法的。這就是非自主可控。自主可控，就是能夠掌握IP的所有代碼，自己想改就改。

飛騰就是國內自主可控6家之一。也就是可以簡單的理解為飛騰晶元內的每行代碼，每一個功能實現，都是自己實現的。這裡有人會說，飛騰不是arm64的麽，那是arm的呀。是的，飛騰是arm64的，但是飛騰是購買的arm的指令集授權。指令集授權大家可以通俗的認為就是購買了函數名，但是函數實現是自己做的。所以即使是arm64，也是自主可控的。

二、基於飛騰晶元的設計

2.1 最小系統硬體設計

要想讓飛騰CPU加電後跑起來，硬體設計上有幾個部分是必須有的。時鐘、供電、記憶體、調試串口、QSPI Flash介面、存儲。下麵就針對每個部分詳細說一下。

2.1.1 時鐘

時鐘不用多說，所有的晶元都需要時鐘。飛騰晶元需求的時鐘主要就是兩種，1是晶元的主時鐘48MHz，2就是晶元的PCIe控制器PEU的時鐘100MHz。這個100MHz時鐘要求PEU和外設同源，也就是從同一個時鐘發生器產生，HSCL電平標準，AC耦合。並且設計時，即使PEU不用，PCIe時鐘也是要接的。

圖 CPU總的時鐘框圖

圖 PEU0的時鐘

圖 PEU1的時鐘

2.1.2 供電和電源管理

飛騰的電源種類並不多，需要0.8V（核電）、1.2V（VDDQ）、1.8V（IO）三種。其他電源域基本都可以直連或者通過磁珠連接到這三個電源中，這裡就參考demo設計就可以了。

這裡需要提示的是：

1.就近放置在晶元電源管腳下的電容為4.7uF，這裡儘量不要修改。

2.CPU有一個3.3V的電源管腳，這裡給供一個3.3V過來即可。

3.各個電的最大電流一定要查手冊，設計電源時一定要保證滿足。

4.各個電的紋波不能超5%。註意，這裡說的是整個運行狀態下，就是BIOS階段、OS系統啟動和運行階段，是都不能超的。這裡特別強調，非常重要！

說到電源，就不得不說電源管理。借鑒x86的電源管理狀態，飛騰CPU也有電源管理的幾個狀態。

圖 飛騰CPU電源狀態

S0就是正常工作的狀態，S3就是類似window的睡眠，即待機狀態壓到記憶體中，所以要求記憶體一直帶電。S4/S5就是類似window的休眠和關機，即待機狀態壓到硬碟，或者就是直接關機了，這個時候整板都會掉電。

那麼有人問了，S4/S5是倆狀態呀？一個是休眠系統狀態壓到硬碟，一個是關機，這倆放一起咋區分呢？其實不用區分，系統狀態壓到硬碟了，就已經是被固定保存了，即使掉電也不會有數據丟失，這裡應該沒錯吧。所以對於電源管理來說，S4/S5狀態時都是要掉電的。那麼S4、S5的區別，主要在下一次開機時。如果去看系統下去執行休眠和關機時的log信息，可以看出，休眠和關機系統處理是不同的，他們會置不同的標誌。那麼在下次開機的時候，這個置的標誌，就能夠告知系統要從哪種狀態啟動。

到這裡，供電和電源管理的幾個狀態應該就說清了，那麼現在實際問題來了，供電我能明白，就是使用電源晶元供電嘛。那麼這個電源管理，我咋做？

那麼下麵，我們就一個一個的來說。

首先，我們一個板子肯定是從未加電狀態轉為加電狀態，讓CPU跑起來。那麼對應上面的狀態，那就是S4/S5狀態到S0狀態，也就是斷電關機狀態到上電工作狀態。這個狀態的控制，其實就是對CPU各個電源域上電時序的控制。所以，做硬體不用想太多，從未加電到加電讓CPU跑起來，換句話說就是從S4/S5狀態到S0狀態的實現，就是你想辦法把你給CPU的各個電按下麵時序跑完就好了。在保證電路設計的情況下哈，只要你按時序跑完，CPU肯定就啟動了，也就到了S0階段。

圖 S4/S5到S0開機時序圖

那麼，你能猜到了吧，S0到S4/S5是咋弄，其實也一樣，也是跑電時序。但是……硬體工程師又問了，板子系統正好好的跑著呢，我咋知道要去跑掉電時序呢？這個問題問的很好。去執行掉電時序，總是要收到信號的，那麼這個信號在時序圖中是能夠看出來的，就是圖中標綠的部分。PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩個是CPU晶元上的兩個管腳，當我們在OS系統下點了休眠或者關機命令時，系統肯定是要先去保存自己的狀態到硬碟，當保存完了，OS會通過PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩個管腳，發送脈衝出來（應該是4脈衝代表重啟，8脈衝代表轉S3狀態，12脈衝代表轉S4/S5狀態），告訴外邊可以去跑掉電時序了。外邊收到這個脈衝後，自己根據掉電時序去跑就可以了。

圖 S0到S4/S5關機時序圖

圖 PWR_CTR0、PWR_CTR1兩管腳

前面提到了PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩個管腳把脈衝發給外邊，那麼這個外邊是啥呢？這裡外邊其實就是個控制器，單片機也好，CPLD也好，只要能夠數脈衝，能夠控電時序就好了。Demo圖一般用的都是CPLD。

圖 demo圖一般都是用CPLD做電源管理

那麼又有人問了，我做筆記本難道還需要上一個CPLD控制電源麽，一般筆記本都有EC呀，EC能用麽？答案當然是肯定的。所以這裡又要說明一個事情，電源管理介面不只有上面PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩管腳，也可以通過LPC，也可以通過IIC。要是外邊電源管理控制器使用CPLD或者MCU等，那麼建議就接到CPU PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩管腳，通過數脈衝去判斷要執行的狀態跳轉。要是使用EC的話，就要求把EC接到CPU的LPC介面上，通過LPC去通信狀態跳轉。要是用飛騰的套片X100做電源管理，就要求把CPU的IIC1接到X100的IIC上。那麼OS系統在發送狀態跳轉的時候是怎麼知道外邊接的是什麼，要從哪個介面去傳輸命令呢，這個就是在BIOS生成的時候，有個配置選項，來告訴OS系統我外邊接的什麼。

表 不同電源管理控制器使用的通訊介面和配置方式

涉及S3狀態，有個管腳要特別說明一下：GPIO0_A1，這個腳的使用一定要好好看下手冊說明。當主機從S3恢復到S0狀態時，板上的CPLD控制單位會通過信號引腳 K17(信號名 UART_0_CTS_N/GPIO0_A1)向CPU發送主板當前的是否滿足S3→S0狀態的S3_OK信號。S3_OK 信號為高電平時候，表示可以正常恢復到S0。S3_OK信號為低時，通知CPU主板出現異常狀態（記憶體掉電等情況），系統將重新啟動，而不是從 S3 恢復。如果設計上沒有S3的需求，那麼這個GPIO0_A1要做拉低處理，不能不管，要不會出錯的。

2.1.3 記憶體

飛騰CPU的記憶體控制器做的還是比較好的，如果設計沒有硬傷，走線沒有太差，不管使用記憶體條還是DDR顆粒，都會得到一個很好的訓練參數支撐系統的運行。

首先要說的是，飛騰桌面CPU，FT-2000/4是支持DDR3和DDR4的，到D2000晶元是只支持DDR4的。這些內容在晶元手冊中都有說明，這裡特別拿出來提醒大家一下。

晶元是有兩個DDR控制器的，我們可以稱為兩個通道。每個控制器有4個片選信號，我們可以叫做4rank。所以，我們一個CPU最大的設計是這樣的：2個通道×4rank。像下圖一樣的設計，就可以插4條雙rank的記憶體條。

圖 雙通道×4rank的D2000板卡

記憶體控制器若按照 8bit 劃分為一個 slice，一個通道 72bit 可劃分為 9 個 slice（第9個，即slice[8]為ECC）。

DQ交換：在進行X8相容記憶體的設計時，slice內部的8個DQ可以自由互換。

Slice交換：slice[0:7]可以進行slice之間交換。Slice[8]為ECC用途，不能與其它slice交換。若用戶需要使用ECC的記憶體條，slice[8]必須與DIMM條上的slice [8]進行連接。若確認無需ECC功能，將slice [8]信號浮空即可。

這裡還有個特別說明的地方，就是DDR控制器有個MEMRESET，這個是輸出到DDR上給DDR做複位的。前面在供電和電源管理章節里提到過，S3狀態是需要將待機狀態壓到記憶體的，那麼待機時就要求DDR不能掉電，當然更不能被覆位。因為S3狀態下除了DDR，包括CPU在內的其他無用的電都是需要被關閉的，那麼CPU這個MEMRESET一定是個無效的狀態。所以，如果我們的板卡應用會有S3，也就是睡眠狀態的，這個MEMRESET就需要控制一下。

這個就是demo圖中的這個電路。可以看到，CPU輸出的MEM_RST是過了一個MOS的，這個MOS的控制端是接到了CPLD上，因為是不是從S0跳轉到S3狀態，CPLD是可以通過PWR_CTR0、PWR_CTR1這兩個腳數脈衝來知道的，那麼它也就知道是否需要控制MOS將CPU輸出的MEM_RST傳遞給DDR。

圖 demo圖中S3狀態對於MEMRESET的處理

2.1.4 調試串口

調試飛騰，要是不把調試串口引出來，那基本就等死就完了。

UART 介面電平為 1.8V CMOS 電平標準，若使用的外設不兼 容 1.8V CMOS 電平，需進行電平轉換；預設UART_1為系統調試串口，用於輸出系統列印信息，波特率115200bps。記住，這玩意兒預設就是串口1，不能改。你要非得改，要動的代碼千千萬，還不是你自己能改的了的，何必動它呢。你就用串口1就行了。

是用TTL還是RS232，根據硬體需求自己設計就好。

2.1.5 QSPI介面

前面提到好幾次CPU的BIOS，那麼BIOS存放在哪？CPU啟動的時候從哪裡讀呢？

都是從QSPI介面。QSPI 介面相容 SPI，且作為啟動載入片外固件的唯一介面。CPU 啟動後，最先通過 QSPI 介面的 QSPI_CSN0 片選的 Flash 晶元載入固件，來執行相關指令。固件正常執行完成，才能在後面引導OS系統啟動。

圖 QSPI flash介面電路

QSPI Flash有16pin的、8pin的，1.8V的、3.3V的。設計時選取根據要自身的需求。並且最好選取大家常用的，飛騰相容適配過的型號，同時建議flash最好16MB以上，8MB有的用起來還是小，會有問題。

2.1.6 存儲

這裡存儲是個廣義的概念，也就是所有能存放OS的都可以叫做存儲，SD卡、NVME、SATA、NOR Flash都可以。他們作為OS存儲的要求很簡單，只要能放得下OS，能被固件讀寫就可。

一般咱們PC機都是用SATA硬碟作為存儲介質，飛騰CPU上沒有sata介面，如果要用sata硬碟做存儲，那就需要通過PCIe外擴sata。如果不想外擴，那就用NVME SSD。如果系統比較小，比如一些實時系統Vxworks啥的，那麼把系統生成bin文件，放到啟動用QSPI Flash剩餘的空間也是可以的，當然放到SD卡裡也是可以的。要求前面也說過了，只要放的下，固件能看到這個存儲，能操作它就可以。

2.2 如何讓CPU開始工作？

2.2.1 上電時序

在前面2.1.2供電和電源管理章節講過，要讓CPU從未加電狀態到加電後工作狀態，就是使CPU從S4/S5狀態轉到S0狀態。這個狀態跳轉其實就是通過外邊的電源管理控制器（CPLD或EC或X100）跑一下CPU的上電時序。

圖 CPU上電時序

這裡提示一點，手冊里給出了上電時序的各個時序之間的延時t值，就是上面圖中的t1~t12，那就嚴格按照手冊來做就好了。不要去問不這麼做會怎麼樣。可能你設計的好，不這麼做也能用，但是這個可沒法保證每次這麼做都可以，手冊都給參數了，就按手冊做不就好了麽。

上電時序跑完，CPU就會啟動了，它下一步就會去QSPI CS0介面去讀數據了，所以你如果不知道自己時序是不是好了，那就可以用示波器去量QSPI CS0是否有讀數據的動作，同時測量一下QSPI的時鐘，在固件載入前應該是380KHz。也就是CS0是否有拉低的狀態。要是有拉低，那就說明CPU在嘗試去讀外置FLASH了，那麼也就說明CPU上電正常了，已經開始工作了。

2.2.2 固件

固件這個名字其實應該不陌生，很多網卡，很多PCIe橋片都要燒EEPROM，那裡面的Bin文件我們就叫固件。這裡CPU啟動用的程式，我們也叫固件，借鑒X86的叫法，那就叫BIOS。只是個名字，不要糾結，在飛騰這裡基本都叫固件。

固件這裡的情況彙總到下表：

表 飛騰CPU固件情況說明

通過上面的表我們可以發現，要是使用免費的，那麼就用飛騰提供的固件。飛騰固件有兩種形式，uboot或者UEFI。Uboot能引導實時系統，比如vx類的，也能引導桌面系統，但是桌面系統只能引導開源linux，換句話說就是只能引導能提供設備樹的桌面系統。UEFI只能引導桌面系統，比如麒麟、ubuntu這類的。

那麼有人問了，我想UEFI引導vx不可以麽？可以，那麼就用第三方收費的，這裡只是飛騰的UEFI不支持。飛騰免費提供的就是解決大家調試用，比如你板子都來了，總不能等第三方定製的固件到了才能去引導系統去測試板子吧，這會兒你就可以用飛騰提供的固件先進行測試，保證你的測試周期。同時這裡也說明一點，飛騰的UEFI不是商用的交付用的固件，只是用於測試的，所以它有很多功能還是可以提升的，但是這裡要是有定製功能，就需要自己去改了，飛騰只提供基礎版本夠你用，要是有定製功能，要麼自己改，要麼去找第三方固件廠商去購買。

飛騰固件我們拿uboot固件舉例，它是由uboot部分和PBF部分組成的。其中uboot是提供源碼的，PBF是閉源的bin文件。飛騰提供固件編譯環境、編譯方法指導等。這個可以查看網上的文章：

https://blog.csdn.net/yorkworlddream/article/details/125482429?spm=1001.2014.3001.5501

B站視頻：

https://www.bilibili.com/video/BV1h94y197ry/

https://www.bilibili.com/video/BV1ce4y197ze/

https://www.bilibili.com/video/BV1Fg411Z761/

裡面將固件編譯配置方法講的很清楚了，我這裡就不展開講了。總而言之一句話，就是飛騰提供的固件配置環境和操作方法，能讓一個沒有搞過配置的硬體工程師都能很容易的把CPU的核心數、記憶體、PCIe等進行配置。

固件編譯完是一個bin文件，這個文件我們要通過燒片機寫器把它燒到我們QSPI FLASH，這個flash燒好後，放到CPU QSPI CS0介面上，CPU開機後就會去讀flash里的內容了。所以為了調試方便，我們需要兩個東西，一個是燒片機寫器，一個就是儘量在CPU QSPI CS0介面上接一個調試座。

下麵展示的就是燒寫器、燒寫器轉晶元座，和焊接到PCB板上的調試座。

燒寫器產品很多，這裡示例的是碩飛的燒寫器和它對應的16pin的轉接座，當然你要是用8pin的flash，那就用8pin的轉接座。（碩飛公司看到可以聯繫我打錢哈，●ˇ∀ˇ●）

焊接到PCB上調試座主要就是方便flash的取換，因為調試中固件可能經常要改參數，要是沒有這個調試座，flash就要來來回回的拆下來燒寫再焊上這樣。

碩飛公司各燒寫器支持器件列表：

https://www.sflytech.com/devlist.asp?model=SP20P/SP20X/SP20F/SP20B

2.2.3 系統

固件調完，就要到系統了。我們後面都是基於飛騰固件來講的，使用第三方固件的不在我們討論範圍里。

系統的引導我們下麵也要分幾種不同的情況進行說明。表的形式列出：

表 不同固件下的系統引導

2.3 設計資料獲取

三、基於飛騰晶元的調試步驟

3.1 環境準備

3.2 靜態測量

3.2.1 測量靜態阻抗

將萬用表打到電阻檔位，然後分別測量 Vcore、VDDQ、VDDQ、VTT 的靜態阻抗。這裡要提示一點，核電阻抗很低，很多都在1Ω、2Ω、3Ω都是正常的，換句話說，只要不是0Ω就行！很多人用二極體檔測阻抗，有的表一測核電阻抗就響了，不要光看響不響，要看看值。

3.2.2 測量電壓

在確保電路沒有存在短路的情況下，對電路板進行上電，查看電路板上的核電壓、記憶體電壓、IO 口電壓、3.3V 電壓、5V 電壓等是否正確。

這裡電壓就自己去看手冊去對就好了。此時要是為了穩妥，可以把紋波也量一量。但此時量到的只是靜態的電壓紋波，固件和系統跑起來，這個紋波和此時可能是不一致的。

3.3 加電前準備

前面靜態做完，加電前的準備工作基本就沒啥了，主要就是不管你是用CPLD還是EC還是X100，加電前一定要把上電時序保證了，至少你編程是照著時序去實現的。千萬不要連上電時序控都沒控，著急的就上電。

其次，就是固件要編好了，燒到了flash中，並且flash已經放到了調試座上，也就是CPU可以通過QSPI CS0介面去讀flash里的固件了。

3.4 加電

3.4.1 調試串口有列印

3.4.1.1 能進shell

調試串口有列印，並且能進shell，這個真的是要恭喜你，板子調試太順利了。不過這麼順利了，我們也要看看log，尤其是看看ddr訓練部分訓練的是否順利。因為即使我們DDR部分設計如果有問題，要是不是很致命的話，控制器會嘗試多次參數訓練，最終找到能用的參數。我們要關心的是訓練次數，正常來說我們從log上，參數訓練是很短的。要是我們看到log上有很多次的參數嘗試，那麼說明咱們這個ddr還是有些問題。

下麵是訓練成功的log截圖，如果我們在達到success之前，反覆出現過很多次紅框框出的那種信息，那麼說明DDR控制器嘗試了很多參數，最終才找到了一個合適。見過一些板子需要訓練大概20s多，可以從log上看到很多很多個紅框的信息。這種說明DDR設計上不是很好，需要再仔細查一查。

圖 log中記憶體訓練部分截圖

進了shell，我們就可以敲命令了。

uboot飛騰是在公版的上面改的，所有命令都是相容的，我們可以搜uboot命令就可以了。環境變數的：Printenv、setenv、saveenv。寄存器讀寫：md、mw。PCIe外設掃描：pci e。

UEFI也是相容公版UEFI的。寄存器讀寫：mm。PCIe外設掃描：pci。網路：ifconfig、ping。

這個我們後面也單獨出一個文檔，這裡也是簡要說明一下。

3.4.1.2不能進shell

串口有列印，但是卡半截，不能跑到shell，這裡絕大多數都是硬體問題。我們要根據列印來判斷可能的故障點。

這個問題點很多，我們後面也是單獨出文章來說明。這裡單獨提示一點，串口卡了這時候要用示波器測紋波了。因為固件已經開始跑了，如果紋波很大，可能會出現卡在很多位置，這個就沒法判斷了，所以固件咋調都過不去，紋波是必須要量的，尤其是核電的，不能超5%。

3.4.2 串口無列印

加電後串口都沒有列印，那麼我們首先就是要用示波器量下QSPI的時鐘和片選。

QSPI 介面作為啟動載入片外固件的唯一介面。CPU上電後後，通過QSPI介面的QSPI_CSN0片選的Flash晶元載入固件，來執行相關指令。因此需要查看 QSPI 的時鐘信號(QSPI讀固件之前時鐘以及讀完之後固件配置的時鐘)，QSPI讀固件之前時鐘頻率應為380KHz左右，網安版的應該是4.6MHz。

表 串口無列印各種可能性分析

3.5 系統引導

使用uefi去安裝引導系統，請看文章：

https://blog.csdn.net/yorkworlddream/article/details/124866224

使用uboot去製作系統，引導系統，請參考倉庫說明：

https://gitee.com/phytium_embedded/phytium-linux-buildroot

附錄：文中涉及到的外部文章彙總：

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