基于国产飞腾、Intel X86等CPU主板设计与调试入门指导


知识就像货币，流动才有意义。
一、前言
因为我是做硬件的，想用这样一篇文章介绍一下我们常见的电脑主板，或者说电路板卡，是怎么设计出来的。仅以技术之所学，得此文章，若有表达不周之处，欢迎反馈。
首先我想用这样一个例子来说明一下我们的工作究竟是什么情况。我们对板卡的设计，以汽车来举例，就相当于我们拿到一台常规、一般的“通用”汽车。我们的用户有不同的需求，有的希望这辆车的轮胎大一些，便于他跋山涉水；有的希望这辆车的灯光亮一些，便于他夜间行驶；有的希望这辆车油耗低续航长，便于他以较低成本的方式高频次使用.....所以我们的工作，就是不断“改造”，修改成不同的配置，以满足不同的客户。
随着硬件电路不断的集成化，很多的电路设计已经放在芯片里面，所以我们就像是4S店，维修改造，搭积木，芯片原厂就相当于汽车官方原厂，虽然这个举例不免有拉低地位之嫌，但事实确实如此。
幸运的是目前的市场上仍需要很多很多的4S店，因此也有我们存在的意义；
幸运的是也有不少“4S店的员工”会去专研技术，深入学习研究每一个零部件存在的意义、原理，甚至精通如何“改造”能让这辆车变得非常可靠安全的同时，费用更低。

下面步入正文。

[其他设计要点未尽事宜，在我此前的文章大多都有提到，且阐述可能会更详细，可移步查阅。]

以Intel为例，电脑主板肉眼可见的主要组成部分如下


1CPU7HDMI/DP接口2PCH8M2接口3内存DDR/插槽9SATA插槽4EC/MCU10PCIE插槽5网卡IC及网口11风扇接口6USB接口12ATX电源接口

CPU
CPU在主板中主要肩负着数据运算的功能，这倒没什么特别的，同一个厂商的不同CPU在封装上可能是兼容的，只是功能不一样，因此选取的时候需要确认这点。关键参数还看CPU核数，主频等。
PCH
PCH是一颗独立的芯片，在主板中的重要性可以说仅次于CPU，是一个集成了SATA、HDMI、PCIE、USB等硬件接口的芯片，通过DMI通道将数据传输给CPU。
对于国产飞腾来说，X100套片跟PCH的作用是非常相似的，X100通过PCIE与CPU通信。
内存
内存要么是板载内存，容量固定好了，要么是有内存插槽，可以插入自己购买的内存条。

以上部分的电路，一般是直接通过原厂获取的，原厂会有一份参考设计，内存部分layout会希望直接参考走线，原理图部分其实差异不会太大，主要是芯片型号和数量的区别。其余部分就看需求与硬件工程师的功力了。
二、确立需求
客户会告诉我们板卡要做成什么样子，一般会规范形成一份文件，文件内容非常清晰的说明了这个产品的所有信息，比如CPU是否有指定需求，主频多少，内存要多大，板载内存还是插件内存条的方式，要多少个SATA硬盘接口，PCIe、RJ45网口、USB接口的数量以及速率要求，显示接口是HDMI还是TYPE-C还是其他类型，研发周期多长，物料是否要全国产化，等等。
前期不要闲麻烦，一定要把这些信息提前确定好，能避免后面的可能跟客户重复低效沟通的场景，最差的情况是客户希望做的是这样，而你理解的是那样，做出来的便是那样，最后会很尴尬。
因为硬件工程师是前期对接客户的，后面还有整个服务链包括PCB工程师，采购，生产等等，前期出问题，后面这条链路都会受到影响，所以一定要尽力一次做对，虽然我们不是神，无法保证百分百正确，但是我们可以通过自己的细心、实力等方式，无限趋近于完美。
我做东西的一个特点是，把需求捋清楚以后，先做一个硬件框图，检查所选的芯片是否能满足要求。我觉得先做框图的意义，不仅仅能够帮助我们以一个更高的角度去统筹规划我们的设计，更是能够在设计过程中，一边设计一边辅助检查我们的图纸，同时方便别的工程师初次查阅时能很快的熟悉这个设计方案。所以画图的美感就很重要，你敢相信，我将一个CPU主板的框图画成一个机器人的形状……










其实是因为这并不是一个电脑主板，而是一块核心板，通过业界的标准口，将Intel的CPU和南桥基本所有的资源都拉出来到左右两边的Come口，对应的配板板卡，也称底板，通过所匹配的接口，接受信号，做成类似主板的形态。


三、电源设计
电源的设计在主板中可以说重中之中，电脑电脑，这个字就占了一半，在板卡中无处不在。DC-DC在主板中呈分布式，一般某一个功能的芯片，会配以专门的电源芯片，少部分以公用的形式。
电源接口
主板的供电接口大多是ATX，如下图，其特点是传递功率大，单PIN大约能通过9A电流，性能可靠。在选型的时候，需要考虑整个板子的最大功率来确定电源座子的引脚数，因为电流需要回流，所以是按照连接器的一半引脚数计算功率。









我们在进行电源设计的时候，有如下考虑。

满足负载功率
比如CPU的主供电为0.8V，需要查看规格书，确认该电压的最大电流（满载运行时），所选的DC-DC输出电流一定要大于这个规格，甚至要留有余量，一般可以预留百分之二十。不仅如此，还要横向对比，CPU可能会有不同的型号，比如商业版，工业版，等等，负载电流可能是不一样的，设计时要按照最大规格，以满足未来不同的场景。
其他
这里就很笼统了，选型时还要考虑芯片效率，静态电流，响应，原生支持度，是否需要国产化，芯片是否稳定，便于采购购买，等等，需要考虑的因素很多。事实上，DC-DC在板卡上的设计，专门用一本书可能都讲不完，这里只是侧重于主板形态的电源设计主要需要关注的地方，不细化阐述。
CPU主要电源
对于CPU还说，其他的电源都是通过常见的DCDC产生，但是其核心电源，会通过SVID协议，CPU自己控制自己的供电，达到动态电压的效果，以实现降低功耗的目的。所以这部分设计，外部软件上不会参与太多。

怎么知道电源拓扑有没有问题，以后需要提供相关文档给客户的时候怎么办，因此，对关键电源部分，可以做这样一个表格，进行评估，主要是包括芯片的输出能力，以及负载的数据，甚至还可以加上采购方面的数据，都可以。



供电分析　供电网络芯片输出能力负载评估1DDR4（CPU端+颗粒）马赛克8A MAX ; 10A PEAK4.3A+5.6A=9.9A惯例，基本可行2VCCIN AUX_CPU马赛克32A MAX26.5A可行3VCCIN_AUX_PCH马赛克32A MAX14.9A可行4VCCIN马赛克30AX4=120A74A可行




DDR41VDDQDRAM端VDDQ1.2V5.6A马赛克2VTT　0.6V1.1A马赛克3VPP　2.5V1A马赛克4VREF　VDD2/2-电阻分压


一般板子上会有A类电源（Always，或者STB待机）和S类电源（System），A类电源需要保持永远存在，而S类电源是系统运行时才有，所以在电源网络规划中，可以用驱动能力较强的DC-DC输出A类电源，通过MOS管控制S类电源的输出，需要注意的是，一定要缓启动，因为后面的负载电容通常而言非常大，打开瞬间冲击电流会很大，稍不注意电压就起不来。
当然，系统电源也可以采用DCDC产生的方式。









四、时序设计
供电跟时序是息息相关的，通过控制DC-DC使能，达到某一时刻上电的要求，在X86架构中，电源网络非常复杂，在电源设计时，一定要确保这个电源网络能够满足时序要求。
时序主要以EC或者CPLD等控制为主，硬件电路自相控制为辅。如下图，Intel架构中，CPU或者PCH会在某一时刻通过某些GPIO响应，相当于，芯片自己可以参与到自己的时序当中，只要我们通过硬件手段连接即可。
如下图，将Intel某个平台的CPU和PCH所有电源引脚罗列出来，确保关注到，提高设计正确率。









这是我整理的该平台时序，可以看到步骤非常多，设计上稍有不慎，电路就很难跑起来。








时序分为软件控制与硬件处理，将需要软件工程师操作的信号罗列好，把对应PIN定义备注好更佳。









五、EC设计
EC在板卡中，是常供电，主要肩负着时序控制、键盘管理等功能。设计上需要注意电平问题，比较多的EC通常是3.3V供电，如果其GPIO跟某些1.8V电平芯片的信号对接的话，需要增加电平转换电路。
这里需要注意的是，不是所有板卡的时序管理芯片都是EC，也可能是CPLD或者FPGA等，因为有的CPU的某些信号电源域的电压实在太低了，低于3.3V，甚至低于1.8V，所以直接使用低压的时序芯片会更好。
在时序电路上，DCDC一般会有EN引脚和PG引脚，要做到检测到上一个信号的PG为有效电平时，才去触发下一个信号的使能，这对板卡第一次上电尤其重要，否则出问题的话真的是板毁人郁闷。
六、网口设计
板卡的千兆网口，通常是使用GMI转MDI的PHY芯片，或者是PCIE转MDI的芯片。如果是PCIE转出来，需要确认使用PCIE的lane数，确定带宽，比如某个网卡芯片支持PCIE*2,PCIE*4,输出为四个10/100/1000M网口，如果因为内部资源原因只能提供两路PCIE到这个网卡芯片，那根据带宽计算，是无法满足四个网口同时支持千兆速率的，所以带宽这个地方要考虑好。
七、USB、DP等设计
这些常见的海岸线接口，如果是INTEL，那基本是用PCH出来的，如果是国产飞腾，基本是通过其搭配的X100套片引出。
这些地方设计的难度并不大，做好对应的AC耦合，确定耦合电容大小，上共模电感，接口处ESD IC基本就差不多了。要注意不同信号，相同信号的不同版本耦合电容都可能不一样，需要明确，相关内容我之前的文章有说过。
共模电感3D图：（来源TDK）







也叫共模扼流圈，应用在差分信号中，用来抑制共模信号。在USB信号上，使用共模电感需要注意直流阻抗，选取时这个参数越小越好。
八、PCIE、SATA设计
一些可拔插的网卡声卡，有一排金手指就是PCIE接口实现的，还有那些M2接口的NVMe盘，跑的也是PCIE协议，如果没有写NVMe，那就是跑的SATA协议。
PCIE是差分信号，在信号上要接AC耦合电容，如果是发送端，就在靠近芯片端，所以接口设计上，如果是PCIEX16那种座子，座子旁边是不需要放电容的，电容要么在主板的芯片端，要么在设备端。
电路上一般会有很多的PCIE设备，这个时候首先需要考虑CPU端是否能够按照这样方式拆分，然后确认时钟是否够用，剩下的直连，给供电就可以了。
如果整个系统的PCIE设备很多，一般会在PCIE复位信号上加上buff，增强驱动能力。
SATA的电路，通常直接从芯片端发出来，然后配以耦合电容，提供电源，就差不多了。
九、接口设计
常见的接口如USB，设计上首要做的是限流保护，可以是专门的IC，可以是自恢复保险丝等，因为产品到用户的手上，无法预知对方会有什么神奇的操作，可能会将一块可以导电的物体插入USB口，导致电路板的电源和地短路，为了确保局部异常不影响主机，加上限流IC以后可以在USB端口过流时切断供电，保证系统的5V电压依旧是正常的，只是暂时无法使用USB接口而已。










ESD防护，静电防护非常重要，轻则对芯片工作状态有影响，重则烧毁芯片。一般芯片GPIO引脚会有一定的防护等级，规格书会说明，通常防护能力较低，需要外部加上专门的ESD芯片。
常用ESD模型：

















不同的信号选取的ESD会有差别
1、信号工作电压要小于ESD的VRWM。这才能在接口电压高于信号工作电压时才发生触发。
2、理论上ESD的寄生电容越小，对信号的上升和下降速度影响越小。所以速率越高的信号，选取的ESD寄生电容要更小，USB3.0的建议低于0.5PF。
3、确定被保护IC的钳位电压
4、确认防护等级，如IEC 61000-4-2_4，接触8KV，空气15KV。防护等级通常而言，跟芯片的封装大小有直接关系，封装越大，能承受的静电越高。.

下图是某ESD的关键特性：









如果是拔插类的排针等接口，最好做到防呆，防止用户误操作造成损坏。


十、EMC设计
EMC，电磁兼容，设备在运行时会对外界产生电磁骚扰，同时，该设备在运行时也会受到周围产品产生的干扰，其需要具备一定的抗扰能力。这个词更倾向于整个产品而言，而不是单独的一块板卡。EMC和下面的可靠性都需要一定的工作经验，还有足够的专研精神才能设计好，而且这两篇涉及的内容其实很多。

十一、热设计
一般来说器件的可靠性、寿命与工作温度成反比，因此热设计在产品思维中非常重要，我们既要保证产品能够正常工作，还要尽量使其在不同的环境中可靠运行。
热设计其实是倾向于layout来说的，当然了，一般大功率板卡都会设计有风扇。对于layout来说，主要是合理布局，将板卡的热源诸如CPU，DC-DC等在不影响功能的前提下，合理分布，不能将所有DC-DC都放在一边，甚至靠近容易受温度影响的器件。
这里有一个知识点，究竟一个芯片，该用多大的散热片，该用多大的风扇，这里涉及的知识点其实很多，其中对于芯片来说，一般规格书会有一个参数，TDP，就是热量设计功耗，意思是芯片在满负荷运行时释放出来的热量，我们在选用散热片和风扇时，需要考虑这个因素。

十二、可靠性
产品的设计严格上要能通过企业标准的可靠性（高温、高湿、低温，反复开关机等）、兼容性（接口对不同设备的识别率等）、电性能（高速信号眼图、阻抗标准）、EMC（辐射、抗干扰）等测试。可靠性需要结合测试情况进行处理整改。
因为产品会在不同的地区使用，可能环境天差地别，有的工作环境温度很高，有的工作环境温度很低，因此产品设计之初，就需要考虑到板卡的性能是否能够承受住复杂环境的考验，因此出货前的测试尤为重要。
总结来说，通过测试去提前发现问题，解决问题，让产品更可靠，对于口碑的提高和减少售后问题降低经营成本有着重要意义。

十三、物料选型

1、大量发货产品选择器件最重要的就是要能持续稳定供应，因此要物料要谨慎选择，尤其是一些好多年前的产品，不仅性能可能跟不上，还有供应风险。
2、一片板卡上的物料，能合并的尽量合并，比如有两个功能芯片分别需要用到DC-DC支持供电，那尽量选择同一家供应商的DC-DC，方便采购。
3、原则上最好选择有实力的供应商，其产品出货稳定，质量通常也有保障。
4、不少国产芯片会跟外国比如TI的芯片是PIN TO PIN的，所以关键时候是能够替代使用。

十四、调试顺序
板卡设计完成，打样回来以后，有如下调试顺序：
上电前，目测板卡表面状态，确认是否有明显的焊锡粘连，元器件接触不良等现象，使用万用表测量供电接口，确保没有短路。
准备上电时，电压源设置一个比较低的限流保护，这样即使真的有过流情况也能极大的减少损失
上电后板卡正常无异常，电流正常时，安排软件工程师烧录时序代码。
按照主要到次要，功能块逐步调试，先调试CPU，检查时序是否满足，是否有跑起来的现象，然后调试其他功能，比如网卡，声卡等等。

MCU/EC/CPLD调试
一般来说，板卡最先调试的就是掌管全局供电的芯片，通常是MCU或者CPLD等，笔记本基本是EC。这类芯片比较简单，确认供电，复位信号，如果是外部时钟的话也需要看一下，基本就能跑起来了，然后软件工程师烧录代码，时序当然是硬件做的，因为硬件最清楚整个板卡逻辑要怎么跑。

CPU调试
根据CPU规格书，提供合理的时序后，CPU如果能够跑起来，会先通过SPI信号读取BIOS，所以我们可以测量FLASH信号的DATA或者CLK，一步到位就是测量FLASH的DATA OUT，也就是CPU端的DATA IN，如果有正常的波形，说明CPU已经跑了一部分，正在读取配置文件。同时，还可以搭配比如CPU发出的进程信号，PWRGOOD等，确保给到CPU的时钟幅值和频率都是正常的，供电后时刻关注芯片是否有温度，如果还是冷冰冰的，信号都暂时不需要测量了，需要确认启动的相关信号。
PCH调试
Intel的PCH启动跟CPU密切相关，我理解为是一起起来的，因为他们通过一些引脚信号，互相传递，左一步右一步，仔细看时序会发现两者时序是互相交叉的。
我们要使用EC去获取PCH的数据、状态，一般是通过LPC或者ESPI进行数据传输的，ESPI是更新的一种协议，主要是为了取代LPC。这两者都是类似IIC一样，一主多从的连接方式，如果是使用的LPC，还需要确认电路是否有正常产生对应的LPC时钟，通常是33MHz。

时钟调试
在主板中，PCIE是用得非常多的，因此基本都会有专门的PCIE时钟芯片，国产也好，非国产的也罢，通常该芯片是输入一个固定的时钟比如25M，然后通过IIC或者其他方式或者直接固定输出某个频率的时钟，如果是专门的PCIE时钟芯片，那输出就都是100M。
一般在CPU和PCH或者主要的芯片工作起来之前，时钟就要先产生了，因此，电源域上要保证时钟芯片的供给是在第一梯队，接在STB类电源上。

网卡调试
首要确保供电都是正常的，确认时序是要有满足要求，如果有时钟输入，确认信号频率，幅值，有必要的话测试电源纹波，上升时间、晶振的频偏。
网卡一般也是需要有一个专门的FLASH，所以如果此芯片工作不正常，可以直接测量芯片是否有向FLASH读取数据，用示波器测量波形，如果有波形，说明供电复位基本都是正常的，芯片已经开始尝试读取指令了，此时需要确认固件是否是验证过的。如果没有任何波形，就需要确认好电路上下拉配置、电源等等。
如果芯片工作没问题，是PCIE转出去的话，首先能在系统上看到该PCIE设备，一般是带有芯片名称相关的标题。然后进网络管理器查看，固件正确的话，配置相关的IP就可以ping出去了。
十五、测试

功能调试完以后，需要送去安排测试，就是要保证这个板卡不仅仅能用，还能在复杂环境下稳定工作。然后要跟踪测试过程中遇到的问题，及时整改。
同时，事实上很多板子是很难做到一次性做对的，所以就要在使用和测试过程中发现问题，作为硬件工程师，将这些问题记录好，然后一次改版好。

十六、总结

调试每一部分的时候，最好提前研读该芯片的规格书，做到心中有数，才能在上电，左手万用表右手示波器的时候不慌不忙，确保整个调试过程思路清晰，一步一步解决。
其实板卡做多了，感觉通过那一套规则就能设计好调试好，在此之上，如果还能投以兴趣，加以时间积累，那做出来的板卡一定是美观可靠的。