|
Tek kart bilgisayarlar; endüstriyel, ticari ve askeri uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılan bütünleşik çözümlerdir. Teknik özellikleri, kabiliyetleri, çevre birimleri ve arayüzleri değişiklik gösterse de; asgari olarak üzerinde işletim sistemi koşan bir işlemci barındıran ve RAM, hafıza birimleri gibi ihtiyaca yönelik çevre birimler ile çeşitli haberleşme portları gibi arayüzleri destekleyen bağımsız donanımlar tek kart bilgisayar olarak tanımlanırlar.
Bu tezde; TÜBİTAK-BİLGEM-İLTAREN, Sayısal Donanım Tasarım Grubu'nda geliştirilmiş ve hayata geçirilmiş, uçuş kontrol sistemlerinde de kullanılabilecek bir tek kart bilgisayar sunulmaktadır.
Tez kapsamında; kritik tasarım kararları, alternatif tasarım karşılaştırmaları, kullanılan metot ve topolojiler anlatılmaktadır. Ayrıca; mimari tasarım, şematik tasarım ve baskı devre tasarım aşamalarının her biri için gerçekleştirilen hesaplamalar, simülasyon sonuçları ve sinyal bütünlüğü konusunda dikkat edilen noktalar da belirtilmektedir.
Tasarlanan donanım ürettirilmiş ve dizgi işlemleri gerçekleştirilmiştir. Ardından gerekli laboratuvar testleri de tamamlanarak bütün çevre birimlerin ve arayüzlerin sorunsuz bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Ancak tez, tasarımı odak noktasında bulundurduğundan, laboratuvar test sonuçlarına dair detaylar kapsamın dışında bırakılmıştır.
Tasarlanan tek kart bilgisayarda, Xilinx Zynq-7000 XC7Z045 yonga üzeri sistem (SoC) kullanılmıştır. Bu yonga üzeri sistem, çift çekirdekli ARM® Cortex-A9 işlemci ile 350.000 programlanabilir kapı hücresini içerisinde bulundurmaktadır. Dolayısıyla nihai kart, yonga üzeri sistemin programlanabilir lojik(PL) tarafında kullanılan sayısal tasarımlar ile işletim sistemi(PS) üzerinde koşan yazılımları, gömülü yazılımları ve algoritma gerçeklemelerini de içermektedir. Bu sayısal tasarımlar ile birlikte, geliştirilmiş yazılım ve gömülü yazılımlar da tezin kapsamının dışındadır ve yalnızca tek kart bilgisayarın donanım tasarım aşaması kapsama alınmıştır.
Donanım tasarımının tamamı; mimari tasarım, şematik tasarım ve baskı devre tasarımını kapsayacak şekilde tezin yazarı tarafından gerçekleştirilmiş olmakla birlikte bahsedilen sayısal tasarımlar ve yazılım/gömülü yazılımlar ekibin diğer üyeleri tarafından gerçeklenmiştir. Bu da tezin odaklandığı noktanın donanım tasarımı oluşuna ek olarak, bu fazların kapsam dışında bırakılmasının başka bir sebebidir.
Zynq-7000 yonga üzeri sistem, DDR-3 RAM'ler, NAND flaş bellek, SD harici hafıza kartları ile VGA görüntü arayüzü, RS-232, RS-422 ve Gigabit Ethernet haberleşme arayüzleri ile güç dağıtım katı bilgisayarın ana birimlerini oluşturmaktadır. Bütün bu bloklara ilişkin donanım tasarım detayları ve derinlemesine arka plan bilgisi tez kapsamında sunulmaktadır.
Tezde, öncelikle donanımı gerçeklemek için, gereksinimlerden yola çıkılarak mimari tasarım aşaması detaylı bir şekilde anlatılmaktadır. İşletim sistemi tarafına bağlanan çevre birimler için alternatif çözümlerin karşılaştırılması yapılarak alınan mimari tasarım kararları gösterilmekte, bu çevre birim ve arayüzlerin Zynq-7000 XC7Z045'in işletim sistemi tarafındaki çoğullamalı giriş/çıkış (MIO) pinlerine nihai dağılımı sunulmaktadır.
Bu kapsamda; gigabit ethernet bağlantısı için kullanılan ethernet PHY entegresinin ethernet kontrolör ile arayüzü incelenmiştir.
Farklı nesil SD kartların karşılaştırılması yapılmış, SDHC kart için konektör seçimine değinilmiştir.
Flaş bellek entegresi seçimi ile ilgili olarak NOR ve NAND flaşlar karşılaştırılmış, ayrıca kullanımına karar verilen NAND flaşların alt kümesi sayılabilecek tek, çift ve üç yük hücreli (SLC, MLC, TLC) yapıların avantaj ve dezavantajları değerlendirilmiştir. NAND flaş entegresinin Zynq ile olan arayüzünün dışında, bu entegrelerde bulunan bozuk blok yönetimi ve yıpranma seviyelendirmesi gibi işlemlerden bahsedilmiştir.
RAM'ler, en genel bakış açısından başlanıp, kullanılan DDR-3 RAM'ler özelinde daha yüksek detay seviyesine inilerek incelenmiştir. Statik ve dinamik RAM'ler karşılaştırılmış, dinamik RAM'lerin geçmişten bugüne gelişimine dair bilgiler sunulmuştur. RAM'lerin iç yapıları incelenmiş; satır, sütun ve rank kavramları ile birlikte SoC'nin hafıza kontrolörünün kabiliyet ve kısıtlamaları tartışılmıştır.
Devasa manyetorezistans (GMR) teknolojisi ile galvanik izolasyon tekniği, alışageldik optik ve izolasyon transformatörü teknikleri ile karşılaştırılmış, dış dünyaya açılan RS-422 arayüzlerinde kullanılan izolasyon açıklanmıştır.
RS-232ve VGA arayüzlerine ilişkin genel bilgiler verilmiş, senkro arayüzü için tasarlanan ve katı hal rölelerinden oluşan tasarım incelenmiş, programlama arayüzleri de hesaba katılarak nihai mimari tasarım tamamlanmıştır.
Bir sonraki aşama olan şematik tasarım fazında ise mimari tasarımda kullanımına karar verilen ana öğeler detaylıca açıklanmıştır.
Gigabit ethernet arayüzü için, PHY entegresi ile SoC arasındaki bütün sinyaller, entegrenin ihtiyaç duyduğu dirençler ve osilatör gibi çevre birimler ve güç gereksinimleri incelenmiştir.
SDHC harici hafıza kartları ile ilgili olarak, standartlar ve pin tanımlamaları, SoC'nin programlanabilir lojik ve işletim sistemi taraflarına bir gerilim seviyesi dönüştürücüsü kullanılarak veya doğrudan yapılan bağlantılar ile birlikte sunulmuştur.
Gigabit ethernet ve SDHC arayüzlerine benzer şekilde, kullanılan NAND flaş entegresinin SoC ile arasındaki bütün sinyal bağlantıları gösterilmiştir. Ayrıca kartın açılış rutinini de kontrol eden konfigürasyonun belirlendiği bu arayüz detaylıca gösterilmiştir.
DDR-3 entegreleri ile ilgili olarak, yalnızca Zynq ile aradaki sinyal bağlantıları değil, bu sinyal bağlantılarının doğru şekilde tesisi için, RAM ve Zynq'in ilgili pinlerine ait IBIS modellerinin Metor Graphics Hyperlynx yazılımına aktarılması ile gerçekleştirilen simülasyonlar da verilmiştir. RAM'lerin güç besleme devre şeması, gerekli açıklamalarla birlikte sunulmuştur.
Ayrıca VGA, RS-422 ve RS-232 arayüzlerinin şematik tasarımlarına ilişkin gerekli bilgiler de sunulmuştur.
Senkro kanalları konusunda, anahtarlama kaynaklı sorunları sönümlendirmek için kullanılan filtreyi de içeren koruma devresi incelenmiş, elektriksel ark oluşumunun önüne geçmek için uyulan IPC-2221 standardının ilgili bölümü ele alınmıştır.
JTAG programlama konektörünü, doğrudan USB üzerinden programlama ve debuga imkan tanıyan programlama modülünü ve güç regülatörlerinin programlanması ve izlenmesi için kullanılan PMBUS konektörünü içeren programlama arayüzlerine ilişkin şematik tasarım detayları ve açıklamalar sunulmuştur.
Şematik tasarımın son bölümünde ise güç katı tasarımı derinlemesine incelenmiştir. Güç tüketimine dair öngörü ve hesaplamalar yapılarak güç dağıtım şeması çıkartılmış, yapılan tasarım Linear Technology'ye ait LTpowerPlanner programı ile simüle edilmiş ve sonuçlar güç dağıtım sıralaması ve uzaktan ölçüm geri besleme devre şeması ile birlikte verilmiştir.
Tezin son bölümünde ise baskı devre tasarımına ilişkin detaylar aktarılmıştır.
Öncelikle micro-ATX standardına uygun olarak çizilmiş kartın mekanik boyutları gösterilmiştir.
Ardından, 14 katmanlı baskı devrenin "stack-up" tasarımı verilmiş, buna bağlı olarak empedans hesaplamaları yapılmıştır.
Ayrıca, SoC'nin çekirdek voltajı veya DDR-3 voltajları gibi kritik ve hassas voltajları taşıyan, baskı devrenin güç dağıtımı için ayrılmış katmanlarında çizilmiş poligonlar üzerindeki voltaj düşüşlerini içeren güç dağıtım analizleri Altium Designer'ın PDN Analyzer eklentisi ile gerçekleştirilmiş ve gösterilmiştir.
Baskı devre tasarım bölümünün sonunda ise, kartın bütününü kapsayan ve baskı devre tasarımında dikkat edilen, özellikle sinyal bütünlüğü ile ilişkili konulara değinilmiş, uyulan kurallar açıklamalarıyla ve örneklerle birlikte sunulmuştur. Sinyal bütünlüğü ile ilgili olarak; dekuplaj devresi seriminde dikkat edilen hususlar, bir sinyal hattının kendisine yakın bir başka sinyal hattına veya doğrudan kendi üzerine istenmeyen şekilde kuplajı sonucu çıkabilecek problemleri önlemeye yönelik olarak uyulan kurallar, diferansiyel sinyallerin çiziminde dikkat edilen noktalar, DDR-3, ethernet, NAND flaş entegreleri ile SoC arasına çekilen pek çok hat için yapılan uzunluk eşitleme işleminde dikkat edilen kurallar ile sinyallerin dönüş yolları ve empedans süreksizliği ile ilgili hesaba katılan konular detaylıca açıklanmıştır.
Tezin sonunda ise gerçeklenmiş ve çalıştırılmış tek kart bilgisayar kartı ile ilgili veya bu kart baz alınarak ileride yapılması önerilen veya olasılık olarak sunulan konulara değinilmiştir.
|
|
Single board computers are compact and widespread solutions for commercial, industrial and military projects. Although the technical specs, capabilities, peripherals and interfaces differ, a standalone hardware including at least a processor which an operating system run on it with desired peripherals and interfaces such as RAM's, memories and various ports can be called as a single board computer.
In this thesis, a single board computer hardware developed in TUBITAK-BILGEM-ILTAREN (The Scientific and Research Council of Turkey - Informatics and Information Security Research Center - Advanced Technologies Research Institute) as a part of a project of the Digital Hardware Design Group and which can be used in flight control systems is presented.
Beginning from the literature survey and market research for component selection; architectural design and detailed schematic designs are carried out as well as PCB design and implementation. This thesis includes critical design decisions, comparison of alternative designs, methods and topologies for architectural, schematic and PCB design phases along with the signal integrity considerations and necessary calculations and simulations in order to accomplish the design.
Though the designed hardware is manufactured, assembled and the board bring-up process is completed successfully, all these stages are excluded from the scope as the thesis focuses on the design.
This design is based on Xilinx Zynq-7000 XC7Z045, an all programmable SoC with on-chip dual-core ARM® Cortex-A9 processor and 350K programmable logic cells. Therefore the ultimate design actually includes intellectual property implementations for the FPGA side of the SoC and firmware/software development including the algorithm implementations as well. These are also out of the scope of the thesis and only the board design stages of the computer are demonstrated.
Furthermore, while the hardware design including architectural, schematics and PCB design stages is completely accomplished by the author of the thesis, digital designs for the FPGA and firmware/software development processes are carried out by other team members. This is another reason why they are excluded in addition to the fact that the thesis focuses only on the hardware development.
Zynq-7000 SoC, DDR-3 RAM's, NAND flash memory, external SD memories and VGA, RS-232, RS-422 and Gigabit Ethernet interfaces as well as the power distribution network are the main blocks of the computer. Hardware design details about each block beside deep background information are given in the thesis. |
