基于飞腾芯片的设计与调试入门指导

——York  2022.12.30

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

图 PWR_CTR0、PWR_CTR1两管脚

前面提到了PWR_CTR0、PWR_CTR1这两个管脚把脉冲发给外边，那么这个外边是啥呢？这里外边其实就是个控制器，单片机也好，CPLD也好，只要能够数脉冲，能够控电时序就好了。Demo图一般用的都是CPLD。

图 demo图一般都是用CPLD做电源管理

那么又有人问了，我做笔记本难道还需要上一个CPLD控制电源么，一般笔记本都有EC呀，EC能用么？答案当然是肯定的。所以这里又要说明一个事情，电源管理接口不只有上面PWR_CTR0、PWR_CTR1这两管脚，也可以通过LPC，也可以通过IIC。要是外边电源管理控制器使用CPLD或者MCU等，那么建议就接到CPU PWR_CTR0、PWR_CTR1这两管脚，通过数脉冲去判断要执行的状态跳转。要是使用EC的话，就要求把EC接到CPU的LPC接口上，通过LPC去通信状态跳转。要是用飞腾的套片X100做电源管理，就要求把CPU的IIC1接到X100的IIC上。那么OS系统在发送状态跳转的时候是怎么知道外边接的是什么，要从哪个接口去传输命令呢，这个就是在BIOS生成的时候，有个配置选项，来告诉OS系统我外边接的什么。

表 不同电源管理控制器使用的通讯接口和配置方式

涉及S3状态，有个管脚要特别说明一下：GPIO0_A1，这个脚的使用一定要好好看下手册说明。当主机从S3恢复到S0状态时，板上的CPLD控制单位会通过信号引脚 K17(信号名 UART_0_CTS_N/GPIO0_A1)向CPU发送主板当前的是否满足S3→S0状态的S3_OK信号。S3_OK 信号为高电平时候，表示可以正常恢复到S0。S3_OK信号为低时，通知CPU主板出现异常状态（内存掉电等情况），系统将重新启动，而不是从 S3 恢复。如果设计上没有S3的需求，那么这个GPIO0_A1要做拉低处理，不能不管，要不会出错的。

2.1.3 内存

飞腾CPU的内存控制器做的还是比较好的，如果设计没有硬伤，走线没有太差，不管使用内存条还是DDR颗粒，都会得到一个很好的训练参数支撑系统的运行。

首先要说的是，飞腾桌面CPU，FT-2000/4是支持DDR3和DDR4的，到D2000芯片是只支持DDR4的。这些内容在芯片手册中都有说明，这里特别拿出来提醒大家一下。

芯片是有两个DDR控制器的，我们可以称为两个通道。每个控制器有4个片选信号，我们可以叫做4rank。所以，我们一个CPU最大的设计是这样的：2个通道×4rank。像下图一样的设计，就可以插4条双rank的内存条。

图 双通道×4rank的D2000板卡

内存控制器若按照 8bit 划分为一个 slice，一个通道 72bit 可划分为 9 个 slice（第9个，即slice[8]为ECC）。

DQ交换：在进行X8兼容内存的设计时，slice内部的8个DQ可以自由互换。

Slice交换：slice[0:7]可以进行slice之间交换。Slice[8]为ECC用途，不能与其它slice交换。若用户需要使用ECC的内存条，slice[8]必须与DIMM条上的slice [8]进行连接。若确认无需ECC功能，将slice [8]信号浮空即可。

这里还有个特别说明的地方，就是DDR控制器有个MEMRESET，这个是输出到DDR上给DDR做复位的。前面在供电和电源管理章节里提到过，S3状态是需要将待机状态压到内存的，那么待机时就要求DDR不能掉电，当然更不能被复位。因为S3状态下除了DDR，包括CPU在内的其他无用的电都是需要被关闭的，那么CPU这个MEMRESET一定是个无效的状态。所以，如果我们的板卡应用会有S3，也就是睡眠状态的，这个MEMRESET就需要控制一下。

这个就是demo图中的这个电路。可以看到，CPU输出的MEM_RST是过了一个MOS的，这个MOS的控制端是接到了CPLD上，因为是不是从S0跳转到S3状态，CPLD是可以通过PWR_CTR0、PWR_CTR1这两个脚数脉冲来知道的，那么它也就知道是否需要控制MOS将CPU输出的MEM_RST传递给DDR。

图 demo图中S3状态对于MEMRESET的处理

2.1.4 调试串口

调试飞腾，要是不把调试串口引出来，那基本就等死就完了。

UART 接口电平为 1.8V CMOS 电平标准，若使用的外设不兼 容 1.8V CMOS 电平，需进行电平转换；默认UART_1为系统调试串口，用于输出系统打印信息，波特率115200bps。记住，这玩意儿默认就是串口1，不能改。你要非得改，要动的代码千千万，还不是你自己能改的了的，何必动它呢。你就用串口1就行了。

是用TTL还是RS232，根据硬件需求自己设计就好。

2.1.5 QSPI接口

前面提到好几次CPU的BIOS，那么BIOS存放在哪？CPU启动的时候从哪里读呢？

都是从QSPI接口。QSPI 接口兼容 SPI，且作为启动加载片外固件的唯一接口。CPU 启动后，最先通过 QSPI 接口的 QSPI_CSN0 片选的 Flash 芯片加载固件，来执行相关指令。固件正常执行完成，才能在后面引导OS系统启动。

图 QSPI flash接口电路

QSPI Flash有16pin的、8pin的，1.8V的、3.3V的。设计时选取根据要自身的需求。并且最好选取大家常用的，飞腾兼容适配过的型号，同时建议flash最好16MB以上，8MB有的用起来还是小，会有问题。

2.1.6 存储

这里存储是个广义的概念，也就是所有能存放OS的都可以叫做存储，SD卡、NVME、SATA、NOR Flash都可以。他们作为OS存储的要求很简单，只要能放得下OS，能被固件读写就可。

一般咱们PC机都是用SATA硬盘作为存储介质，飞腾CPU上没有sata接口，如果要用sata硬盘做存储，那就需要通过PCIe外扩sata。如果不想外扩，那就用NVME SSD。如果系统比较小，比如一些实时系统Vxworks啥的，那么把系统生成bin文件，放到启动用QSPI Flash剩余的空间也是可以的，当然放到SD卡里也是可以的。要求前面也说过了，只要放的下，固件能看到这个存储，能操作它就可以。

2.2 如何让CPU开始工作？

2.2.1 上电时序

在前面2.1.2供电和电源管理章节讲过，要让CPU从未加电状态到加电后工作状态，就是使CPU从S4/S5状态转到S0状态。这个状态跳转其实就是通过外边的电源管理控制器（CPLD或EC或X100）跑一下CPU的上电时序。

图 CPU上电时序

这里提示一点，手册里给出了上电时序的各个时序之间的延时t值，就是上面图中的t1~t12，那就严格按照手册来做就好了。不要去问不这么做会怎么样。可能你设计的好，不这么做也能用，但是这个可没法保证每次这么做都可以，手册都给参数了，就按手册做不就好了么。

上电时序跑完，CPU就会启动了，它下一步就会去QSPI CS0接口去读数据了，所以你如果不知道自己时序是不是好了，那就可以用示波器去量QSPI CS0是否有读数据的动作，同时测量一下QSPI的时钟，在固件加载前应该是380KHz。也就是CS0是否有拉低的状态。要是有拉低，那就说明CPU在尝试去读外置FLASH了，那么也就说明CPU上电正常了，已经开始工作了。

2.2.2 固件

固件这个名字其实应该不陌生，很多网卡，很多PCIe桥片都要烧EEPROM，那里面的Bin文件我们就叫固件。这里CPU启动用的程序，我们也叫固件，借鉴X86的叫法，那就叫BIOS。只是个名字，不要纠结，在飞腾这里基本都叫固件。

固件这里的情况汇总到下表：

表 飞腾CPU固件情况说明

通过上面的表我们可以发现，要是使用免费的，那么就用飞腾提供的固件。飞腾固件有两种形式，uboot或者UEFI。Uboot能引导实时系统，比如vx类的，也能引导桌面系统，但是桌面系统只能引导开源linux，换句话说就是只能引导能提供设备树的桌面系统。UEFI只能引导桌面系统，比如麒麟、ubuntu这类的。

那么有人问了，我想UEFI引导vx不可以么？可以，那么就用第三方收费的，这里只是飞腾的UEFI不支持。飞腾免费提供的就是解决大家调试用，比如你板子都来了，总不能等第三方定制的固件到了才能去引导系统去测试板子吧，这会儿你就可以用飞腾提供的固件先进行测试，保证你的测试周期。同时这里也说明一点，飞腾的UEFI不是商用的交付用的固件，只是用于测试的，所以它有很多功能还是可以提升的，但是这里要是有定制功能，就需要自己去改了，飞腾只提供基础版本够你用，要是有定制功能，要么自己改，要么去找第三方固件厂商去购买。

飞腾固件我们拿uboot固件举例，它是由uboot部分和PBF部分组成的。其中uboot是提供源码的，PBF是闭源的bin文件。飞腾提供固件编译环境、编译方法指导等。这个可以查看网上的文章：

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

B站视频：

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

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

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

里面将固件编译配置方法讲的很清楚了，我这里就不展开讲了。总而言之一句话，就是飞腾提供的固件配置环境和操作方法，能让一个没有搞过配置的硬件工程师都能很容易的把CPU的核心数、内存、PCIe等进行配置。

固件编译完是一个bin文件，这个文件我们要通过烧片机写器把它烧到我们QSPI FLASH，这个flash烧好后，放到CPU QSPI CS0接口上，CPU开机后就会去读flash里的内容了。所以为了调试方便，我们需要两个东西，一个是烧片机写器，一个就是尽量在CPU QSPI CS0接口上接一个调试座。

下面展示的就是烧写器、烧写器转芯片座，和焊接到PCB板上的调试座。

烧写器产品很多，这里示例的是硕飞的烧写器和它对应的16pin的转接座，当然你要是用8pin的flash，那就用8pin的转接座。（硕飞公司看到可以联系我打钱哈，●ˇ∀ˇ●）

焊接到PCB上调试座主要就是方便flash的取换，因为调试中固件可能经常要改参数，要是没有这个调试座，flash就要来来回回的拆下来烧写再焊上这样。

硕飞公司各烧写器支持器件列表：

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

2.2.3 系统

固件调完，就要到系统了。我们后面都是基于飞腾固件来讲的，使用第三方固件的不在我们讨论范围里。

系统的引导我们下面也要分几种不同的情况进行说明。表的形式列出：

表 不同固件下的系统引导

2.3 设计资料获取

三、基于飞腾芯片的调试步骤

3.1 环境准备

3.2 静态测量

3.2.1 测量静态阻抗

将万用表打到电阻档位，然后分别测量 Vcore、VDDQ、VDDQ、VTT 的静态阻抗。这里要提示一点，核电阻抗很低，很多都在1Ω、2Ω、3Ω都是正常的，换句话说，只要不是0Ω就行！很多人用二极管档测阻抗，有的表一测核电阻抗就响了，不要光看响不响，要看看值。

3.2.2 测量电压

在确保电路没有存在短路的情况下，对电路板进行上电，查看电路板上的核电压、内存电压、IO 口电压、3.3V 电压、5V 电压等是否正确。

这里电压就自己去看手册去对就好了。此时要是为了稳妥，可以把纹波也量一量。但此时量到的只是静态的电压纹波，固件和系统跑起来，这个纹波和此时可能是不一致的。

3.3 加电前准备

前面静态做完，加电前的准备工作基本就没啥了，主要就是不管你是用CPLD还是EC还是X100，加电前一定要把上电时序保证了，至少你编程是照着时序去实现的。千万不要连上电时序控都没控，着急的就上电。

其次，就是固件要编好了，烧到了flash中，并且flash已经放到了调试座上，也就是CPU可以通过QSPI CS0接口去读flash里的固件了。

3.4 加电

3.4.1 调试串口有打印

3.4.1.1 能进shell

调试串口有打印，并且能进shell，这个真的是要恭喜你，板子调试太顺利了。不过这么顺利了，我们也要看看log，尤其是看看ddr训练部分训练的是否顺利。因为即使我们DDR部分设计如果有问题，要是不是很致命的话，控制器会尝试多次参数训练，最终找到能用的参数。我们要关心的是训练次数，正常来说我们从log上，参数训练是很短的。要是我们看到log上有很多次的参数尝试，那么说明咱们这个ddr还是有些问题。

下面是训练成功的log截图，如果我们在达到success之前，反复出现过很多次红框框出的那种信息，那么说明DDR控制器尝试了很多参数，最终才找到了一个合适。见过一些板子需要训练大概20s多，可以从log上看到很多很多个红框的信息。这种说明DDR设计上不是很好，需要再仔细查一查。

图 log中内存训练部分截图

进了shell，我们就可以敲命令了。

uboot飞腾是在公版的上面改的，所有命令都是兼容的，我们可以搜uboot命令就可以了。环境变量的：Printenv、setenv、saveenv。寄存器读写：md、mw。PCIe外设扫描：pci e。

UEFI也是兼容公版UEFI的。寄存器读写：mm。PCIe外设扫描：pci。网络：ifconfig、ping。

这个我们后面也单独出一个文档，这里也是简要说明一下。

3.4.1.2不能进shell

串口有打印，但是卡半截，不能跑到shell，这里绝大多数都是硬件问题。我们要根据打印来判断可能的故障点。

这个问题点很多，我们后面也是单独出文章来说明。这里单独提示一点，串口卡了这时候要用示波器测纹波了。因为固件已经开始跑了，如果纹波很大，可能会出现卡在很多位置，这个就没法判断了，所以固件咋调都过不去，纹波是必须要量的，尤其是核电的，不能超5%。

3.4.2 串口无打印

加电后串口都没有打印，那么我们首先就是要用示波器量下QSPI的时钟和片选。

QSPI 接口作为启动加载片外固件的唯一接口。CPU上电后后，通过QSPI接口的QSPI_CSN0片选的Flash芯片加载固件，来执行相关指令。因此需要查看 QSPI 的时钟信号(QSPI读固件之前时钟以及读完之后固件配置的时钟)，QSPI读固件之前时钟频率应为380KHz左右，网安版的应该是4.6MHz。

表 串口无打印各种可能性分析

3.5 系统引导

使用uefi去安装引导系统，请看文章：

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

使用uboot去制作系统，引导系统，请参考仓库说明：

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

附录：文中涉及到的外部文章汇总：

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前面说的和本文有些关联的硬件资源，黑皮书的话会好些，纯国人写的就……：

《计算机系统设计：片上系统》：

《计算机组成与嵌入式系统-第6版》

《计算机组成与设计硬件软件接口-第5版》

《计算机组装与维修基础教程(第5版)》--基于wintel