Студенты специальности «Автоматизация и управление» (группа АиУ-12) Карагандинского государственного индустриального университета Савин Петр, Захватаев Сергей и Варзин Дмитрий второй год занимаются научно-исследовательской работой по модернизации материнской платы миникомпьютера с использованием систем на кристалле (SоC) и вот получены результаты!

Система на кристалле (СнК) — это СБИС, интегрирующая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. Типичная СнК содержит: один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов; банк памяти (ПЗУ, ОЗУ); источники опорной частоты; таймеры, счётчики, цепи задержки; блоки, реализующие стандартные интерфейсы для подключения внешних устройств (USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI); блоки АЦП и ЦАП; регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.

Современная микроэлектронная технология обеспечивает следующие варианты реализации СнК: в виде заказной СБИС (ASIC); на базе ПЛИС высокой интеграции (FPGA).

Оба варианта реализации имеют свои достоинства и недостатки. При реализации СнК в виде ASIC используется традиционный маршрут проектирования ASIC с использованием аппаратно реализованных сложно — функциональных блоков (СФ-блоков), интегрированных в структуру СБИС, и синтезируемых СФ-блоков, которые изготовитель транслирует в физическую структуру с помощью собственных библиотек функциональных элементов. Таким образом, имеется возможность замены систем на плате системами на кристалле. Реализация СнК в виде специализированной ASIC требует значительных финансовых затрат. Альтернативой может быть реализация СнК на базе высоко интегрированных FPGA. Преимущества реализации СнК на базе FPGA: малые затраты на разработку и создание опытных образцов; возможность многократной коррекции проекта; использование хорошо проверенных серийных изделий; более простой процесс тестирования и отладки.

В качестве объекта модернизации был выбран миникомпьютер А 20-OLinuXino-MICRO компании Olimex, выпускаемый в рамках лицензии Creative Common by YSA 3.0, по которой как дизайн платы, так и все связанные с проектом схемы и CAD-файлы, допускаются в свободное использование и создание производных продуктов для персонального использования и в коммерческих целях.

Версия платы, выбранная для модернизации, поставляется с установленной операционной системой Android 4.2.2 (Jelly Bean) и набором базовых приложений. На плате установлен двухъядерный процессор Allwinner-A20-Cortex-A7 (SoC/СнК) с тактовой частотой каждого ядра 1 ГГц и двухъядерным графическим ускорителем (GPU) Mali-400MP. Размер оперативной памяти – 1 ГБ. Объем ПЗУ составляет 4 ГБ.

Из устройств, необходимых для проведения каких-либо работ с миникомпьютером, следует выделить устройства ввода (мышь, клавиатура, микрофон, сенсорная панель, либо их различные комбинации по необходимости) и вывода информации (к примеру, монитор/проектор/экран со входом HDMI), а также SD-карта с предустановленной ОС, если плата не имеет встроенной NAND-памяти или используется ОС Debian.

Ввиду малого количества встроенных USB-портов на плате (2 USB и 1 mini-USB OTG), пользователь лишается возможности одновременного использования более чем трех периферийных устройств. Подключив, к примеру, клавиатуру и мышь с USB-интерфейсом, пользователь не сможет использовать другие устройства (принтер, сканер, FLASH-накопители, веб-камера, USB-модем, джойстик, Bluetooth-адаптеры и т.д.). С внедрением в плату USB-Hub данная возможность приобретается, что и стало целью модернизации.

В качестве главной микросхемы USB-концентратора использовалась микросхема GL850G от Genesys Logic, Inc. (Тайбэй, Тайвань). ИС полностью совместима с универсальной последовательной шиной (USB), при этом характеризуется простотой дизайна платы, маленькими затратами при производстве (экономическая целесообразность), низкой потребляемой мощностью.

В ИС интегрированы два понижающих регулятора напряжения 5В — 3,3В и 3,3В — 1,8В. Установлены переключатели (программные) уровня низкого потребления (для автономной работы от USB концентратора более высокой иерархии) и высокого потребления питания (при работе от дополнительного источника питания).

В GL850G встроен 8-разрядный RISC-микропроцессор для контроля работы портов. Программное обеспечение контролирует работу входов/выходов, конфигурирует PID и VID маркеры, записывает их в EEPROM.

Каждый исходящий порт GL850G поддерживает двухцветное LED (полупроводниковый светодиод) оповещение о его статусе (не-/нормальное функционирование). GL850G также поддерживает два режима питания портов: индивидуальный (на каждый порт) и gang-режим (одинаковая нагрузка каждого порта). Микросхема поставляется в корпусе SSOP-28.

После моделирования в САПР (DipTrace) данный модуль (USB-концентратор) и переработанная материнская плата миникомпьютера A20-OLinuXino-MICRO были переданы в Китайскую Народную республику на одну из фирм для выпуска уже готовой микросхемы. В данное время происходит тестирование опытно-промышленного образца, после чего ИМС можно запускать в серийное производство. МОЛОДЦЫ!

На рисунках представлены изображения уже готовой платы (1, 2), а также скрины проектировочных изображений слоев данной платы в программе DipTrace — 4 слоя (1, 4 — внешние; 2, 3 — внутренние). Внесенные студентами изменения отмечены цветом (исключая вставленные компоненты и некоторые проводники). На готовой плате размещены эмблемы КГИУ и кафедры «ЭиАТС».

Зав. кафедрой «Электроэнергетика и автоматизация технических систем

Г. А. Сивякова,  к.т.н., доцент