Loongson 2 SoC: сәулет ерекшеліктері 

Loongson 2 SoC архитектурасы: инженерлер мен сатып алушылар үшін техникалық талдау

Loongson 2 System-on-Chip (SoC) басқа чипті ғана емес, технологияның тәуелсіздігі маңызды болып табылатын нарықтар үшін ендірілген жүйелерді жобалаудағы негізгі парадигманы өзгертуді білдіреді. Өнеркәсіптік контроллерлерді біріктіру тәжірибемізде біз отандық процессорлар батыстық әріптестерінен тек шикізат өнімділігі бойынша ғана төмен деген қате пікірді жиі кездестіреміз. Шындық анағұрлым күрделі: Loongson 2 архитектурасының негізгі ерекшелігі қуат тиімділігі, ескі перифериялық интерфейстерді қолдау және ядро ​​деңгейіндегі аппараттық қауіпсіздік арасындағы теңгерім болып табылады. Өнеркәсіптік шлюз немесе IoT құрылғысы үшін платформаны таңдасаңыз, осы нюанстарды түсіну драйверді жөндеуден бірнеше ай үнемдейді.

Бұл серияның негізі LoongArch командалық жүйесін жүзеге асыратын GS464V микроархитектурасы (және оның жаңа редакцияларындағы модификациялары) болып табылады. Бұл бұрынғы нұсқалардағыдай MIPS клоны емес, толық тәуелсіз ISA (нұсқаулар жинағы архитектурасы). Инженер үшін бұл MIPS32/64 кодымен екілік үйлесімділік жоқ дегенді білдіреді, бірақ ол шетелдік жеткізушілерден лицензиялық шектеулерсіз нақты өнеркәсіптік тапсырмалар үшін компиляторды оңтайландыруға жол ашады. Біз LoongArch-қа ауысу флэш жады шектеулі құрылғылар үшін маңызды болып табылатын нұсқауды тиімдірек кодтаудың арқасында орындалатын кодтың өлшемін 12-15%-ға азайтқан жобаларды көрдік.

Loongson 2 орта диапазондағы қуат шешімі ретінде орналасқанын түсіну маңызды. Loongson 3 өнімділігі жоғары сервер чиптерінен айырмашылығы, екінші серия ендірілген жүйелер сегментіне, өнеркәсіптік ДК және желілік инфрақұрылымға бағытталған. Мұндағы архитектуралық ерекшеліктер гигагерц үшін жарыспен емес, кең температура диапазонындағы жұмыс тұрақтылығымен және болжамды үзілістерге жауап беру уақытымен анықталады. Дәл осы параметрлер энергетикалық сектор үшін ГОСТ R немесе IEC стандарттары бойынша жабдықты сертификаттау кезінде шешуші болады.

GS464V микроархитектурасының және процессор ядросының негізгі ерекшеліктері

Кез келген Loongson 2 сериялы SoC-тің жүрегі - бұл реттелмеген нұсқауларды орындауы бар суперскалярлық ядро. Дегенмен, құбырды іске асырудың егжей-тегжейінде шайтан бар. Архитектура сағатына 4 нұсқауға дейін орындауды қолдайды, бұл салыстырмалы түрде төмен тактілік жиілікте жоғары есептеу тығыздығын қамтамасыз етеді (әдетте нақты үлгіге байланысты 600 МГц-тен 1,5 ГГц-ке дейін, мысалы, 2K1000 немесе 2K2000). Төмен жиілік - бұл кемшілік емес, бірақ сезімтал аналогтық жабдық үшін өте маңызды жылу мен электромагниттік кедергілерді азайту үшін әдейі жасалған инженерлік шешім.

Ең үлкен күштердің бірі - кірістірілген векторлық есептеу модулі LSX (Loongson SIMD eXtension). Діріл датчиктерінің сигналдарын өңдеуге арналған сынақтарымызда LSX нұсқауларын қолдану скалярлық кодпен салыстырғанда FFT (жылдам Фурье түрлендіруі) есептеулерінің 3,5 есе жеделдеуін көрсетті. Бұл орталық бұлттық серверді шамадан тыс жүктемей-ақ, күрделі болжамды талдау алгоритмдерін тікелей шеткі құрылғыда жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Әзірлеушілер үшін бұл LoongArch жүйесіне тасымалданатын стандартты сызықтық алгебра кітапханаларын пайдалану мүмкіндігін білдіреді, бұл нарыққа шығу уақытын айтарлықтай қысқартады.

Жад ішкі жүйесінің де бірегей мүмкіндіктері бар. Жад контроллері ECC қатесін түзетуі бар DDR3/DDR4 мүмкіндігін қолдайды. Тек аналық плата емес, чип деңгейінде ECC болуы түпкілікті шешімнің құнын төмендетеді. Сәулелену немесе қуат кернеуінің жоғарылауы жад биттерінің ауысуын тудыруы мүмкін өндірістік орталарда бұл мүмкіндік сенімділік стандарттарына сай болу үшін қажет. BIOS/UEFI жүйесінде ECC мүмкіндігін әрқашан қосуды ұсынамыз, тіпті бұл өткізу қабілеттілігінің шамалы төмендеуіне (2-3%) әкелсе де, жад ақаулығына байланысты аппараттық құралдың тоқтап қалу құны пропорционалды түрде жоғары.

Тағы бір маңызды бөлшек - аппараттық виртуалдандыру. Loongson 2 ядролары 1 типті гипервизорларды тиімді іске қосуға мүмкіндік беретін виртуалдандыру кеңейтімдерін қолдайды. Бұл ресурстарды ортақ пайдалану кепілдігі бар бір физикалық чипте бірнеше функцияларды (мысалы, PLC контроллері және HMI панелі) біріктіру мүмкіндігін ашады. Біздің жобаларымыздың бірінде бұл бізге екі бөлек контроллерді Loongson 2K1000 негізіндегі жалғыз модульмен ауыстыруға мүмкіндік берді, бұл басқару шкафында талап етілетін орынды 40%-ға азайтты.

Перифериялық интеграция және енгізу/шығару интерфейстері

SoC тұжырымдамасы чиптегі перифериялық құрылғылардың интеграциясын барынша арттыру туралы, ал Loongson 2 мұнда өнеркәсіптік әмбебаптылыққа бағытталған тәсілді көрсетеді. Чипте PCIe 2.0/3.0 контроллерлері, Gigabit Ethernet (уақыт синхрондау үшін IEEE 1588 PTP қолдайтын жиі бірнеше порттар), USB 2.0/3.0, сондай-ақ бұрынғы өндірістік интерфейстер: UART, SPI, I2C және GPIO. Аппараттық CAN-шиналық контроллердің болуы (кейбір модификацияларда немесе PCIe арқылы басқарылатын сыртқы көпірлер арқылы) оны автомобиль және станок өнеркәсібі үшін тартымды етеді.

Графикалық ішкі жүйеге ерекше назар аудару керек. Біріктірілген GPU әдетте OpenGL ES 2.0/3.0 қолдайтын архитектураға негізделген. Бұл заманауи SCADA интерфейстері мен операторлық панельдерді көрсету үшін жеткілікті, бірақ күрделі 3D визуализациясы үшін жеткіліксіз. Инженерлер үшін бұл GPU үшін Linux ядросындағы DRM/KMS драйверлерінің дамуын жалғастыратынын есте сақтау маңызды. Егер жобаңыз нақты графикалық әсерлерді қажет етсе, мақсатты Linux дистрибутивінде (мысалы, Alt Linux немесе ROSA) қажетті фреймворктардың (Qt, GTK) қолдауын алдын ала тексеруге кеңес береміз.

Деректерді сақтау интерфейстері SATA III контроллерлерімен және eMMC немесе SDIO интерфейсі арқылы NAND Flash қолдауымен ұсынылған. Бұл жоғары сенімділікпен желдеткішсіз жүйелерді жасауға мүмкіндік береді. Ешқандай қозғалмалы бөліктер жоғары діріл орталарында жұмыс істеудің кілті болып табылады. Дегенмен, NAND жадын таңдағанда, SoC контроллері деңгейінде жүзеге асырылған тозуды теңестіру алгоритмдерін ескеру қажет. Біздің сынақтарымызда біз қайта жазу циклдарының резерві бар жоғары сапалы жад микросхемаларын пайдалану, тіпті белсенді деректерді жинау логикасы болса да, бюджеттік аналогтармен салыстырғанда құрылғының қызмет ету мерзімін 2-3 есе ұзартатынын байқадық.

Желі мүмкіндіктері қарапайым Ethernet-тен асып түседі. Желілік пакеттерді түсіруге арналған аппараттық қолдау процессорды деректерді берудің жоғары жылдамдығымен босатады. Бұл маршрутизаторлар мен брандмауэрлер үшін өте маңызды. VLAN, QoS және аппараттық трафикті шифрлауды қолдау (төменде бұл туралы толығырақ) қосымша үдеткіштерді қолданбай-ақ қорғалған желі сегменттерін құруға мүмкіндік береді. Интеграторлар үшін бұл материалдар тізімдемесін (BOM) жеңілдету және құрамдас бөліктердің сәйкес келмеу қаупін азайтуды білдіреді.

Аппараттық қауіпсіздік және криптографиялық үдеткіштер

Заманауи шындықта ендірілген жүйелердің киберқауіпсіздігі «қалаулы» санатынан «міндетті» санатқа көшті. Loongson 2 архитектурасы Қытайдың ұлттық шифрлау стандарттарын (SM2, SM3, SM4), сондай-ақ халықаралық алгоритмдерді (AES, SHA, RSA) қолдайтын арнайы криптографиялық модульді қамтиды. Аппараттық кездейсоқ сандар генераторының (TRNG) болуы криптографиялық кілттер үшін жоғары сапалы энтропияны қамтамасыз етеді, бұл көбінесе арзан микроконтроллерлерде әлсіз нүкте болып табылады.

Ресей нарығы үшін импортты алмастыру және нормативтік талаптарды сақтау аспектісі ерекше маңызды. SM алгоритмдері қытай стандарттары болса да, архитектура ресейлік ГОСТ 28147-89 және ГОСТ Р 34.12-2015 бағдарламалық жасақтама немесе бағдарламаланатын деңгейде (FPGA матасы арқылы, егер SoC бар болса, немесе оңтайландырылған OpenSSL кітапханалары арқылы) енгізуге ашық. Біз негізгі криптография аппараттық құралда орындалған жобаларды сәтті жүзеге асырдық және жеделдету үшін LSX векторлық нұсқауларын қолдана отырып, оңтайландырылған бағдарламалық жасақтамада нақты ГОСТ алгоритмдері орындалды. Бұл 800 Мбит/с дейінгі шифрланған арна өткізу қабілетін қамтамасыз етті, бұл көптеген өнеркәсіптік қолданбалар үшін жеткілікті.

Secure Boot аппараттық құрал деңгейінде жүзеге асырылады. Сенім тізбегі U-Boot жүктеушісінің қолтаңбасын тексеретін ROM-дағы өзгермейтін кодтан басталады, ол өз кезегінде Linux ядросының қолтаңбасын тексереді. Бұл шабуылдаушы физикалық рұқсатқа ие болса да, құрылғыны зиянды бағдарламаларды орнатудан қорғайды. Біздің тәжірибемізде клиент Secure Boot-ті енгізуге ақша үнемдеуге тырысқан жағдай болды, бұл далада құрылғылар партиясын ымыраға әкелді. Жағдайды түзету микробағдарламалық жасақтама мен логистикалық шығындарды толығымен ауыстыруды талап етті, бұл әзірлеу кезінде үнемдеуден 10 есе асып түсті. Бұл қадамды ешқашан елемеңіз.

Бұған қоса, архитектура қауіпсіздік доменінің оқшаулануын қолдайды. Критикалық процестер хост қолданбасы үшін қолжетімсіз қауіпсіз ортада жұмыс істей алады. Бұл Zero Trust архитектурасының принциптеріне сәйкес келеді. Сертификатталған ақпараттық қауіпсіздік жүйелері (ISS) үшін мұндай аппараттық база бағдарламалық жасақтаманы әзірлеуге аз күш жұмсай отырып, жоғары қауіпсіздік сыныптарына сертификаттауға мүмкіндік беретін тамаша негіз болып табылады.

Бағдарламалық қамтамасыз ету экожүйесі және Linux үйлесімділігі

Бағдарламалық құралсыз жабдық пайдасыз. Loongson 2-нің басты күші - оның Linux ядросындағы жетілген қолдауы. 5.19 ядро ​​нұсқасынан бастап және әсіресе 6.x+ тармақтарында LoongArch архитектурасына қолдау көрсету негізгі ағымға айналды. Бұл қазіргі заманғы дистрибутивтердің көпшілігі (Debian, Fedora, OpenEuler, Alt Linux) осы чиптерде қораптан тыс немесе минималды конфигурациямен жұмыс істейтінін білдіреді. Әзірлеушілер үшін бұл төмен деңгейлі драйверлерді нөлден жазудың бас ауруын жояды.

GCC және LLVM компиляторларында толық LoongArch қолдауы бар. Ең жақсы кодты оңтайландыру үшін GCC 12.1 немесе одан жоғары нұсқасын пайдалануды ұсынамыз. Қауымдастық танымал кітапханаларды белсенді түрде тасымалдап жатқанын атап өткен жөн. Python, Java (OpenJDK), Node.js, Docker - бұл құралдардың барлығы қол жетімді. Дегенмен, меншікті бағдарламалық құралды немесе x86_64 немесе ARM үшін құрастырылған меншікті кітапханаларды пайдалану кезінде мәселелер туындайды. Эмуляция мүмкін, бірақ өнімділік апатты түрде төмендейді. Сондықтан тасымалдау стратегиясы бастапқы кодтан барлық қолданбалар сағын қайта құрастыруды қамтуы керек.

Өнеркәсіптік қолданбалар үшін біз ұзақ мерзімді қолдау (LTS) таратуларын жиі қолданамыз. Мұндай жүйелердегі API және ABI тұрақтылығы сіздің құрылғыңыздың 5-10 жыл бойы бағдарламалық құралды өзгертусіз жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. Loongson өзінің анықтамалық тақталары үшін BSP (Board Support Package) ұсынады, бұл өзіңіздің жүйелік кескініңізді жасау үшін тамаша бастапқы нүкте болып табылады. Егер сізде 10+ ендірілген инженерлер тобы болмаса, BSP-ті нөлден жазуға тырыспаңыз. Қолданыстағы BSP-ті дизайныңызға бейімдеу жылдар емес, апталарды алады.

Құжаттама және қоғамдастық. Ағылшын тіліндегі құжаттама барған сайын қолжетімді бола бастағанымен, техникалық мәліметтердің негізгі бөлігі әлі де қытай тілінде қолжетімді. Бұл кіруге кедергі жасайды. Біз түсінікті тілде техникалық қолдау көрсете алатын немесе осы архитектурамен тәжірибесі бар жеткізушілермен тікелей байланыс орнатуды ұсынамыз. Қуатты немесе сағатты басқару регистрлерін түсінудегі қателер диагностикалау қиын болатын тұрақсыз жұмысты тудыруы мүмкін.

Балама нұсқалармен салыстыру: қашан Loongson 2 таңдау керек?

Саналы шешім қабылдау үшін Loongson 2-ні ендірілген сегменттегі негізгі бәсекелестерімен салыстыру керек: ARM (NXP i.MX, Rockchip) және x86 (Intel Atom, AMD G-Series). Төменде негізгі параметрлердің салыстыру кестесі берілген.

Loongson 2 нұсқасын таңдау, егер сіздің басымдығыңыз жеткізудің ұзақ мерзімді кепілі және батыстық санкциялар режимдерінен тәуелсіздік болса, орынды болады. Егер сізге Windows операциясы немесе батарея құрылғылары үшін максималды қуат тиімділігі қажет болса, ARM-ге қараған дұрыс. Егер сізге ескі x86 қолданбаларын қайта құрастырусыз іске қосу қажет болса, Loongson жұмыс істемейді. Дегенмен, өнеркәсіптік сектордағы жаңа Linux әзірлемелері үшін Loongson 2 бағаның, өнімділіктің және жеткізу қауіпсіздігінің тамаша теңгерімін ұсынады.

Іске асыру және сатып алу бойынша практикалық ұсыныстар

Loongson 2 SoC негізіндегі жобаны бастаған кезде, біз ресми серіктестің әзірлеу тақтасынан бастауды ұсынамыз. Дереу аналық платаңызды жасауға тырыспаңыз. Алдымен бағдарламалық құралды портқа салыңыз, нақты қуат тұтынуды және сіздің жағдайыңыздағы жылу жағдайларын бағалаңыз. Бағдарламалық жасақтаманың архитектурасы бекітілгеннен кейін ғана реттелетін жабдыққа өтіңіз. Бұл ҒЗТКЖ бюджетін 30%-ға дейін үнемдеуге мүмкіндік береді.

Чиптің температура диапазонына назар аударыңыз. Өнеркәсіптік нұсқалар (әдетте «I» жұрнағы немесе бөлек таңбалауы бар) -40°C-тан +85°C-қа дейін жұмыс істеуге кепілдік береді. Коммерциялық нұсқалар қазірдің өзінде +70 ° C температурада азайта алады (жиілікті азайтады). Біздің жағдайда, жылытылмаған шкафта коммерциялық чипті орнату қыста конвейердің тоқтап қалуына әкелді. Нұсқалар арасындағы баға айырмашылығы шамамен 15-20% құрайды, бірақ бұл үшін үнемдеу маңызды инфрақұрылым үшін қолайсыз.

Сатып алу кезінде сәйкестік сертификаттарының бар-жоғын тексеріңіз. Ресей нарығы үшін TR CU (EAC) сертификаты қажет. Көптеген қытайлық өндірушілердің модульдері үшін бұл сертификаттар бар, бірақ чиптерді бөлек импорттасаңыз, соңғы құрылғыны сертификаттау жауапкершілігі сізге жүктеледі. Жеткізушінің толық сәйкестік декларациясын және сынақ есептерін беретініне көз жеткізіңіз. Бұл сіздің өніміңізді нарықта заңдастыру процесін жылдамдатады.

Жеткізу тізбегінің сенімділігі чиптің техникалық сипаттамалары сияқты маңызды рөл атқарады. Бұл жерде компанияның тәжірибесі көмекке келедіWuhan Xinhualong Technology LLC. 2009 жылы Қытайдың микроэлектроника өнеркәсібінің орталығында, Қытайдың Оптикалық алқабында (Ухань) негізі қаланған кәсіби дистрибьютор ретінде компания интегралды микросхемалар өндірушілері мен соңғы пайдаланушылар арасындағы негізгі буын қызметін атқарады.

Сұр жеткізушілерден айырмашылығы, Wuhan Xinhualong Technologies толығымен заңды және мөлдір логистиканы қамтамасыз етеді: барлық өнімдер тек ресми арналар арқылы жеткізіледі, бұл компоненттердің 100% түпнұсқалығына кепілдік береді және қайта сатылған (жаңартылған) чиптерді алу қаупі жоқ. Loongson процессорларынан басқа, компанияның портфолиосында өнеркәсіптік автоматтандыру және телекоммуникациялар үшін жоғары технологиялық шешімдердің кең ауқымы бар: LHA6961 және ZJC2000 серияларының аналогты-цифрлық түрлендіргіштерінен R-FDM320R069 RF модульдері мен қуат контроллерлеріне дейін.

Инженерлер үшін ерекше құндылық - толық уақытты қолдану бойынша сарапшылар (FAE). Ухань Синьхуалонг технологиясының командасы электрондық компоненттерді біріктіруде терең тәжірибеге ие және барлық кезеңде техникалық қолдау көрсетуге дайын - оңтайлы SoC конфигурациясын таңдаудан бастап кепілдіктен кейінгі қолдауға дейін. Компанияның географиялық қатысуы негізгі өнеркәсіп орталықтарын, соның ішінде ТМД елдерін қамтиды, бұл жеткізу уақытын азайтуға және тұтынушылардың сұраныстарына жылдам жауап беруге мүмкіндік береді. Мұндай серіктеспен ынтымақтастық өндірістің тоқтап қалу қаупін азайтады және жеткізілетін әрбір компоненттің сапасына сенімділікті қамтамасыз етеді.

Жиі қойылатын сұрақтар

Loongson 2 жүйесінде Windows жүйесін іске қосу мүмкін бе?

Жоқ, LoongArch архитектурасы үшін жергілікті Windows нұсқасы жоқ. X86 эмуляциясын іске қосудың эксперименталды әрекеттері бар, бірақ өнімділік кез келген практикалық пайдалану үшін қолайсыз төмен болады. Loongson 2 Linux (Ubuntu, Debian, Fedora, Alt Linux, ROSA) және басқа Unix тәрізді жүйелермен жұмыс істеуге арналған. Егер Windows маңызды болса, x86 платформаларын қарастырыңыз.

Raspberry Pi 4-пен салыстырғанда Loongson 2K1000 нақты өнімділігі қандай?

Бір ағынды тапсырмаларда Loongson 2K1000 сағаттық жылдамдығының төмен болуына байланысты Raspberry Pi 4 (BCM2711) салыстыруға болады немесе сәл төмен. Дегенмен, көп ағынды және SIMD-қарқынды (LSX) жұмыс жүктемелерінде Loongson кеңірек құбыр желісінің арқасында жақсы жұмыс істей алады. Loongson-тың басты артықшылығы - ең жоғары қуатта емес, өнеркәсіптік интерфейстердің (CAN, бірнеше Ethernets) болуы және Raspberry Pi-де жоқ қораптан тыс ECC жадына қолдау көрсету.

Қолданбаны x86-дан Loongson-ға тасымалдау қиын ба?

Қолданбаңыз жоғары деңгейлі тілдерде (C/C++, Python, Go, Java) жазылса және стандартты кітапханаларды пайдаланса, тасымалдау мақсатты платформада бастапқы кодты қайта құрастыруға немесе кросс-компиляцияға дейін жетеді. Мәселелер x86 жинақ кірістірулерін (SSE/AVX) немесе бастапқы кодтары жоқ меншікті кітапханаларды пайдаланған кезде ғана туындауы мүмкін. Бұл жағдайда LoongArch LSX/LASX нұсқауларын пайдаланып төмен деңгейлі код бөлімдерін қайта жазу қажет болады.

Loongson 2 SoC жаппай қайдан сатып алуға болады?

Біз ресми дистрибьютормыз және өндірушіден Loongson процессорлары мен дайын модульдер жеткізілімдерін ұсынамыз. Біз техникалық қолдау көрсетеміз, аналогтарды таңдауға көмектесеміз және Ресей заңнамасының барлық талаптарын сақтаймыз.Бүгін бізге хабарласыңызкоммерциялық ұсыныс және қордың болуы туралы кеңес алу.

Loongson 2 SoC архитектурасы геосаяси тәуекелдерге тәуелсіз өнеркәсіптік автоматтандыру болашағын құратындар үшін жетілген, сенімді шешім болып табылады. Бүгін дұрыс платформаны таңдау сіздің бизнесіңіздің ертеңгі тұрақтылығын қамтамасыз етеді.