STPC? CONSUMER-II：一款強(qiáng)大的x86核心PC兼容信息家電片上系統(tǒng)

在當(dāng)今的電子世界中，片上系統(tǒng)（SoC）的發(fā)展日新月異，為各種電子設(shè)備帶來了更強(qiáng)大的性能和更高的集成度。STPC? CONSUMER-II就是這樣一款引人注目的產(chǎn)品，它集成了多種功能，為消費(fèi)級(jí)PC兼容子系統(tǒng)提供了一站式解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

STPC Consumer-II集成了標(biāo)準(zhǔn)的第五代x86核心、同步DRAM控制器、圖形子系統(tǒng)、視頻流水線以及支持邏輯，包括PCI、ISA和IDE控制器，能夠在單個(gè)設(shè)備上提供面向消費(fèi)者的PC兼容子系統(tǒng)。它采用了緊密耦合的統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)（UMA），實(shí)現(xiàn)了CPU、圖形和視頻之間的內(nèi)存共享，有效減少了系統(tǒng)總內(nèi)存，同時(shí)提高了系統(tǒng)性能。該產(chǎn)品采用388引腳塑料球柵陣列（PBGA）封裝。

二、主要功能模塊

（一）x86處理器核心

• 高性能處理：采用全靜態(tài)32位五級(jí)流水線，與x86處理器完全兼容，支持最高4GB的外部?jī)?nèi)存訪問。
• 緩存設(shè)計(jì)：擁有8KB統(tǒng)一指令和數(shù)據(jù)緩存，具備寫回和直寫能力，提高了數(shù)據(jù)的讀寫速度。
• 浮點(diǎn)運(yùn)算：集成并行處理浮點(diǎn)單元，具備自動(dòng)掉電功能，降低了功耗。
• 時(shí)鐘頻率：可運(yùn)行在最高100MHz（x1）或133MHz（x2），采用全靜態(tài)設(shè)計(jì)，支持動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制，具備低功耗和系統(tǒng)管理模式，針對(duì)2.5V操作進(jìn)行了優(yōu)化。

（二）SDRAM控制器

• 數(shù)據(jù)總線：采用64位數(shù)據(jù)總線，最高支持100MHz的SDRAM時(shí)鐘速度。
• 內(nèi)存支持：集成系統(tǒng)內(nèi)存、圖形幀內(nèi)存和視頻幀內(nèi)存，支持2MB至128MB的系統(tǒng)內(nèi)存，以及16、64和128Mbit的SDRAM，還支持8、16、32、64和128MB的DIMM，包括緩沖、非緩沖和注冊(cè)DIMM。
• 緩沖設(shè)計(jì)：具備四線寫緩沖和四線讀預(yù)取緩沖，支持可編程延遲和可編程SDRAM參數(shù)，支持-8、-10、-12、-13、-15內(nèi)存部件，以及1MB至8MB的PCI/ISA總線內(nèi)存空洞。

（三）2D圖形控制器

• 加速功能：64位Windows加速器，向后兼容SVGA標(biāo)準(zhǔn)，具備文本、位塊傳輸、透明塊傳輸和填充的硬件加速功能。
• 光標(biāo)與幀緩沖：支持最高64x64位圖形硬件光標(biāo)，最大4MB的線性幀緩沖，支持8、16、24和32位像素，適用于各種操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。

（四）CRT控制器

• 高分辨率顯示：集成135MHz三重RAMDAC，支持1280x1024x75Hz的顯示，需要外部頻率合成器和參考源。
• 像素支持：支持8、16、24位像素，可實(shí)現(xiàn)隔行或非隔行輸出，僅需要外部參考源。

（五）視頻輸入端口

• 視頻輸入：接受ITU - R 601模式的視頻輸入，可選2:1抽取器，將捕獲的視頻存儲(chǔ)在板載幀緩沖的偏移區(qū)域。
• 視頻輸出：支持視頻直通到電視輸出，實(shí)現(xiàn)全屏視頻圖像，可生成HSYNC和B/T信號(hào)或鎖定外部視頻時(shí)序源。

（六）視頻流水線

• 濾波與轉(zhuǎn)換：采用雙抽頭插值水平濾波器和雙抽頭插值垂直濾波器，實(shí)現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換（RGB到Y(jié)UV和YUV到RGB）。
• 窗口設(shè)置：支持可編程窗口大小，具備色度和顏色鍵控功能，用于集成視頻疊加。

（七）視頻輸出

• 編碼支持：支持NTSC - M、PAL - B、D、G、H、I、M、N編碼，以及ITU - R 601編碼，可編程顏色副載波頻率。
• 輸出接口：提供ITU - R 656視頻輸出信號(hào)接口，具備四種模擬輸出配置，包括R、G、B + CVBS和C、YS、CVBS1 + CVBS2，支持無閃爍隔行輸出，可編程雙抽頭濾波器和伽馬校正或三抽頭閃爍濾波器，支持隔行或非隔行操作模式，具備逐行到隔行掃描轉(zhuǎn)換器，可通過特定陷阱濾波減少CVBS流中的交叉顏色，每個(gè)DAC支持掉電模式。

（八）PCI控制器

• 標(biāo)準(zhǔn)兼容：完全符合PCI 2.1規(guī)范，集成PCI仲裁接口，最多可直接連接3個(gè)主設(shè)備，通過外部PAL可支持更多主設(shè)備。
• 總線轉(zhuǎn)換：支持PCI周期到ISA總線的轉(zhuǎn)換，以及ISA主設(shè)備發(fā)起的周期到PCI的轉(zhuǎn)換，支持PCI主設(shè)備的突發(fā)讀寫。
• 時(shí)鐘設(shè)置：PCI時(shí)鐘為CPU總線時(shí)鐘的1/2、1/3或1/4。

（九）ISA主/從設(shè)備

• 時(shí)鐘生成：可從14.318MHz振蕩器時(shí)鐘或PCI時(shí)鐘生成ISA時(shí)鐘，支持可編程額外等待狀態(tài)和I/O恢復(fù)時(shí)間。
• 快速控制：具備快速Gate A20和快速復(fù)位功能，支持C、D或E塊與F塊BIOS ROM共享的單個(gè)ROM，支持閃存ROM和ISA隱藏刷新，緩沖DMA和ISA主設(shè)備周期，減少PCI和主機(jī)總線的帶寬占用。

（十）本地總線接口

• 接口特性：與ISA/DMA接口復(fù)用，低延遲異步總線，22位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線具備字導(dǎo)向能力，可編程時(shí)序，支持32位閃存突發(fā)，具備兩級(jí)硬件密鑰保護(hù)，支持兩個(gè)16MB閃存設(shè)備的存儲(chǔ)體，引導(dǎo)塊映射到0x000F0000。

（十一）IDE接口

• 設(shè)備支持：支持PIO模式，傳輸速率最高可達(dá)22MB/秒，支持最多4個(gè)IDE設(shè)備，支持并發(fā)通道操作（PIO模式），每個(gè)通道具備4x32位緩沖FIFO，支持PIO模式3和4，支持所有四個(gè)IDE設(shè)備的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器時(shí)序，支持傳統(tǒng)和原生IDE模式，支持大于528MB的硬盤驅(qū)動(dòng)器，支持CD - ROM和磁帶外設(shè)，向后兼容IDE（ATA - 1），適用于Windows和其他操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。

（十二）集成外設(shè)控制器

• 控制器功能：2x8237/AT兼容的7通道DMA控制器，2x8259/AT兼容的中斷控制器，16個(gè)中斷輸入（ISA和PCI），三個(gè)8254兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，協(xié)處理器錯(cuò)誤支持邏輯。

（十三）電源管理

• 節(jié)能模式：具備四種節(jié)能模式：開啟、打盹、待機(jī)、掛起，可編程系統(tǒng)活動(dòng)檢測(cè)器，支持Intel和Cyrix SMM和APM，支持STOPCLK，支持IO陷阱和重啟，獨(dú)立外設(shè)超時(shí)定時(shí)器，用于監(jiān)控硬盤、串行和并行端口，具備128K SM_RAM地址空間（從0xA0000到0xB0000）。

（十四）JTAG

• 測(cè)試功能：符合IEEE1149.1邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)，具備掃描鏈控制、旁路寄存器和ID寄存器，支持RAM BIST控制。

三、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓：DC電源電壓VDDx范圍為 - 0.3V至4.0V，核心DC電源電壓VCORE范圍為 - 0.3V至2.7V。
• 輸入輸出電壓：數(shù)字輸入和輸出電壓V I、V O范圍為 - 0.3V至VDD + 0.3V，5V容限V 5T范圍為 - 0.3V至5.5V。
• ESD容量：人體模式下ESD容量為2000°C。
• 溫度范圍：存儲(chǔ)溫度T STG范圍為 - 40°C至 + 150°C，工作溫度T OPER范圍為0°C至 + 85°C（商業(yè)）或 - 40°C至 + 115°C（工業(yè)）。
• 功耗：最大功耗P TOT為4.8W。

（二）DC特性

• 工作電壓：VDD工作電壓范圍為3.0V至3.6V，VCORE工作電壓范圍為2.45V至2.7V。
• 電源功率：VDD電源功率最大為0.18W，VCORE電源功率最大為2.90W。
• 輸入電壓：輸入低電壓VIL除XTALI外為 - 0.3V至0.8V，XTALI為 - 0.3V至0.8V；輸入高電壓VIH除XTALI外為2.1V至VDD + 0.3V，XTALI為2.35V至VDD + 0.3V。
• 輸入泄漏電流：輸入和I/O的輸入泄漏電流LK范圍為 - 5uA至5uA，集成上拉/下拉電阻為50KΩ。

（三）AC特性

詳細(xì)列出了SDRAM接口、PCI接口、IPC接口、ISA接口、本地總線接口、VGA接口、視頻輸入端口、IDE接口和JTAG接口的AC特性，包括時(shí)鐘周期、延遲、建立時(shí)間、保持時(shí)間等參數(shù)。

四、機(jī)械數(shù)據(jù)

（一）388引腳封裝尺寸

詳細(xì)描述了388引腳PBGA封裝的尺寸，包括PCB尺寸和封裝本身的尺寸，提供了相應(yīng)的圖表和數(shù)據(jù)。

（二）388引腳封裝熱數(shù)據(jù)

388引腳PBGA封裝的功率耗散能力為4.5W，使用散熱器時(shí)可提高到6W，給出了熱耗散的結(jié)構(gòu)和不同情況下的熱阻數(shù)據(jù)。

（三）焊接建議

強(qiáng)調(diào)了高質(zhì)量、低缺陷焊接需要確定最佳的回流焊溫度曲線，包括預(yù)熱、干燥、回流和冷卻階段，預(yù)熱階段要將溫度上升速率控制在2°C/秒以內(nèi)，以減少對(duì)半導(dǎo)體組件的熱沖擊，回流階段要使焊膏溫度超過熔點(diǎn)約20°C，確保良好的回流質(zhì)量。

五、設(shè)計(jì)指南

（一）典型應(yīng)用

• Web Box：作為模擬機(jī)頂盒，為電視機(jī)提供互聯(lián)網(wǎng)瀏覽功能，具備電視輸出、調(diào)制解調(diào)器、智能卡接口和紅外接口。

（二）STPC配置

• 總線選擇：ISA總線是標(biāo)準(zhǔn)總線但速度較慢，本地總線速度快且可編程，但不支持DMA和外部主設(shè)備機(jī)制，可根據(jù)具體需求選擇。
• 時(shí)鐘配置：CPU時(shí)鐘和內(nèi)存時(shí)鐘在“同步模式”下相互關(guān)聯(lián)，不同的時(shí)鐘配置會(huì)影響系統(tǒng)性能和功耗，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的配置。

（三）架構(gòu)建議

• 電源去耦：對(duì)各種STPC電源引腳進(jìn)行適當(dāng)去耦，特別是PLL去耦和3.3V與Vcore的去耦，以確保信號(hào)完整性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低EMC。
• 14MHz振蕩器階段：可使用石英或外部3.3V振蕩器實(shí)現(xiàn)14.31818MHz振蕩器階段，要注意晶體的參數(shù)和平衡電容的添加，建議對(duì)該階段進(jìn)行屏蔽以減少抖動(dòng)。
• SDRAM：STPC提供SDRAM控制信號(hào)，支持最多128MB的主內(nèi)存，圖形內(nèi)存位于Bank 0的開頭，主機(jī)內(nèi)存從圖形內(nèi)存頂部開始，給出了不同內(nèi)存配置的典型實(shí)現(xiàn)和相關(guān)的引腳映射。
• PCI總線：PCI總線始終處于活動(dòng)狀態(tài)，相關(guān)控制信號(hào)需要通過2K2電阻上拉到3.3V或5V，PCI_CLKO需要通過10至33歐姆電阻連接到PCI_CLKI，在高時(shí)鐘負(fù)載情況下建議使用零延遲時(shí)鐘緩沖器。
• 本地總線：本地總線可連接閃存設(shè)備或I/O設(shè)備，給出了典型的16位引導(dǎo)閃存實(shí)現(xiàn)。
• IPC：大多數(shù)IPC信號(hào)是復(fù)用的，給出了IRQ和DMA請(qǐng)求的典型復(fù)用和去復(fù)用實(shí)現(xiàn)。
• IDE/ISA動(dòng)態(tài)解復(fù)用：描述了如何實(shí)現(xiàn)IDE和ISA接口的外部膠合邏輯解復(fù)用。
• 基本音頻使用IDE接口：在只需要基本音頻功能的應(yīng)用中，可使用IDE接口上的音頻DAC，通過DMA控制器實(shí)現(xiàn)低CPU消耗的16位立體聲聲音。
• VGA接口：STPC集成了電壓參考和視頻緩沖器，外部設(shè)備最少，給出了典型的VGA實(shí)現(xiàn)，COL_SEL可用于實(shí)現(xiàn)畫中畫功能。
• TV接口：STPC集成了電壓參考和視頻DAC，外部設(shè)備主要是視頻緩沖器，給出了典型的TV接口實(shí)現(xiàn)，可通過增益控制寄存器進(jìn)行輸出電平微調(diào)。
• JTAG接口：STPC集成了JTAG接口，用于掃描鏈和板載測(cè)試，只需要外部上拉電阻。

（四）布局和布線建議

• 一般建議：一些STPC接口運(yùn)行速度較高，需要仔細(xì)布線和屏蔽，如內(nèi)存接口、PCI總線、圖形和視頻接口以及14MHz振蕩器階段，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)優(yōu)先布線并屏蔽，高速信號(hào)和模擬噪聲敏感信號(hào)需要分開布線。
• PLL定義和實(shí)現(xiàn)：PLL是模擬單元，為了獲得最干凈的時(shí)鐘，需要盡量減少電源上的抖動(dòng)，可采用單個(gè)電源平面或多個(gè)電容進(jìn)行濾波。
• 內(nèi)存接口：為了實(shí)現(xiàn)100MHz及以上的SDRAM內(nèi)存接口，需要考慮接口的時(shí)序和各種電氣和物理約束，包括SDRAM時(shí)鐘方案、板布局問題等，如時(shí)鐘線長(zhǎng)度匹配、信號(hào)終止等。
• PCI接口：為了實(shí)現(xiàn)最高33MHz的PCI接口，需要考慮接口的時(shí)序和各種電氣和物理約束，PCI時(shí)鐘需要通過可編程延遲線和時(shí)鐘分頻器從HCLK生成，時(shí)鐘線長(zhǎng)度需要匹配。
• 熱耗散：熱耗散主要取決于電源電壓，可通過降低電壓、關(guān)閉未使用的接口和功能、動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘速度等方式降低功耗，同時(shí)要注意熱球的連接和散熱設(shè)計(jì)，如使用金屬層、將PBGA與金屬底盤熱連接等。

（五）調(diào)試方法

• 電源供應(yīng)：在組裝過程中，檢查裸PCB上各電源和接地平面之間的潛在短路，系統(tǒng)上電后，檢查所有電源供應(yīng)，包括PLL電源引腳的電壓是否在正確范圍內(nèi)。
• 啟動(dòng)序列：檢查復(fù)位序列，確保SYSRSTI#信號(hào)符合時(shí)序要求，無毛刺，并保持低電平直到14.31818MHz輸出（OSC14M）頻率正確且配置選項(xiàng)穩(wěn)定；檢查配置選項(xiàng)是否正確設(shè)置和采樣；測(cè)量主機(jī)時(shí)鐘（HCLK）、PCI時(shí)鐘（PCI_CLKO、PCI_CLKI）和內(nèi)存時(shí)鐘（MCLKO、MCLKI）的頻率和穩(wěn)定性；檢查SYSRSTO#輸出信號(hào)是否符合要求。
• ISA模式：在檢查ISA總線控制信號(hào)之前，確保PCI_CLKI、ISA_CLK、ISA_CLK2X和DEV_CLK正常運(yùn)行；檢查RMRTCCS#和FRAME#信號(hào)，以確認(rèn)是否正確獲取啟動(dòng)代碼；根據(jù)啟動(dòng)閃存的大小，檢查MEMCS16#信號(hào)；通過POST代碼檢查啟動(dòng)過程的完成情況。
• 本地總線模式：檢查FCS0#信號(hào)，以確認(rèn)是否正確獲取啟動(dòng)代碼；本地總線僅支持16位啟動(dòng)內(nèi)存設(shè)備；同樣可通過POST代碼檢查啟動(dòng)過程。

六、訂購信息

提供了STPC Consumer-II的訂購代碼和可用的部件編號(hào)，包括核心頻率、CPU模式、接口速度和溫度范圍等信息，并提供了STMicroelectronics的客戶服務(wù)網(wǎng)站。

STPC? CONSUMER-II是一款功能強(qiáng)大、集成度高的片上系統(tǒng)，為消費(fèi)級(jí)PC兼容應(yīng)用提供了豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)。在設(shè)計(jì)和使用過程中，需要充分考慮其電氣特性、機(jī)械特性和設(shè)計(jì)指南，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師在使用STPC Consumer-II進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。