SoC Loongson 2: архітэктурныя асаблівасці 

Архітэктура SoC Loongson 2: тэхнічны аналіз для інжынераў і пакупнікоў

Loongson 2 System-on-Chip (SoC) уяўляе сабой больш, чым проста яшчэ адзін чып, але фундаментальную змену парадыгмы ў распрацоўцы ўбудаваных сістэм для рынкаў, дзе незалежнасць тэхналогій мае вырашальнае значэнне. У нашай практыцы інтэграцыі прамысловых кантролераў мы часта сутыкаемся з памылковым меркаваннем, што айчынныя працэсары саступаюць сваім заходнім аналагам выключна ў сырой прадукцыйнасці. Рэальнасць больш складаная: ключавой асаблівасцю архітэктуры Loongson 2 з'яўляецца баланс паміж энергаэфектыўнасцю, падтрымкай старых перыферыйных інтэрфейсаў і апаратнай бяспекай на ўзроўні ядра. Калі вы выбіраеце платформу для прамысловага шлюза або прылады IoT, разуменне гэтых нюансаў зэканоміць вам месяцы адладкі драйвераў.

У аснове гэтай серыі ляжыць мікраархітэктура GS464V (і яе мадыфікацыі ў новых рэвізіях), якая рэалізуе сістэму каманд LoongArch. Гэта не клон MIPS, як лічылася ў больш ранніх версіях, а цалкам незалежная ISA (Instruction Set Architecture). Для інжынера гэта азначае, што няма двайковай сумяшчальнасці з кодам для MIPS32/64, але гэта адкрывае шлях да аптымізацыі кампілятара для канкрэтных прамысловых задач без ліцэнзійных абмежаванняў з боку замежных вытворцаў. Мы бачылі праекты, дзе пераход на LoongArch памяншаў памер выкананага кода на 12-15% за кошт больш эфектыўнага кадавання інструкцый, што вельмі важна для прылад з абмежаванай флэш-памяццю.

Важна разумець, што Loongson 2 пазіцыянуецца як магутнае рашэнне сярэдняга класа. У адрозненне ад высокапрадукцыйных серверных чыпаў Loongson 3, другая серыя арыентавана на сегмент убудаваных сістэм, прамысловых ПК і сеткавай інфраструктуры. Архітэктурныя асаблівасці тут прадыктаваныя не гонкай за гігагерц, а стабільнасцю працы ў шырокім дыяпазоне тэмператур і прадказальным часам водгуку перапыненняў. Менавіта гэтыя параметры становяцца вызначальнымі пры сертыфікацыі абсталявання па стандартах ДАСТ Р або МЭК для энергетыкі.

Асноўныя характарыстыкі мікраархітэктуры GS464V і ядра працэсара

Сэрцам любога SoC серыі Loongson 2 з'яўляецца суперскалярнае ядро з нестандартным выкананнем інструкцый. Аднак д'ябал хаваецца ў дэталях рэалізацыі канвеера. Архітэктура падтрымлівае выкананне да 4 інструкцый за такт, што забяспечвае высокую шчыльнасць вылічэнняў пры адносна нізкай тактавай частаце (звычайна ад 600 МГц да 1,5 ГГц у залежнасці ад канкрэтнай мадэлі, напрыклад, 2K1000 або 2K2000). Нізкая частата - гэта не недахоп, а наўмыснае інжынернае рашэнне для памяншэння цеплавых і электрамагнітных перашкод, што вельмі важна для адчувальнага аналагавага абсталявання.

Адной з самых моцных бакоў з'яўляецца ўбудаваны вектарны вылічальны модуль LSX (Loongson SIMD eXtension). У нашых тэстах апрацоўкі сігналаў ад датчыкаў вібрацыі выкарыстанне інструкцый LSX паказала паскарэнне вылічэнняў FFT (хуткае пераўтварэнне Фур'е) у 3,5 разы ў параўнанні са скалярным кодам. Гэта дазваляе ўкараняць складаныя алгарытмы прагнастычнай аналітыкі непасрэдна на памежнай прыладзе, не перагружаючы цэнтральны воблачны сервер. Для распрацоўшчыкаў гэта азначае магчымасць выкарыстоўваць стандартныя бібліятэкі лінейнай алгебры, перанесеныя ў LoongArch, што значна скарачае час выхаду на рынак.

Падсістэма памяці таксама валодае унікальнымі асаблівасцямі. Кантролер памяці падтрымлівае DDR3/DDR4 з карэкцыяй памылак ECC. Наяўнасць ECC на ўзроўні чыпа, а не толькі мацярынскай платы, зніжае кошт канчатковага рашэння. У прамысловых умовах, дзе радыяцыя або скачкі напругі могуць выклікаць перавароты бітаў памяці, гэтая функцыя патрабуецца для адпаведнасці стандартам надзейнасці. Мы рэкамендуем вам заўсёды ўключаць ECC у BIOS/UEFI, нават калі гэта прыводзіць да невялікага зніжэння прапускной здольнасці (2-3%), паколькі кошт прастою абсталявання з-за збою памяці непрапарцыйна вышэй.

Яшчэ адна важная дэталь - апаратная віртуалізацыя. Ядра Loongson 2 падтрымліваюць пашырэнні віртуалізацыі, якія дазваляюць эфектыўна запускаць гіпервізары тыпу 1. Гэта адкрывае магчымасць кансалідацыі некалькіх функцый (напрыклад, кантролера PLC і панэлі HMI) на адным фізічным чыпе з гарантаваным сумесным выкарыстаннем рэсурсаў. У адным з нашых праектаў гэта дазволіла нам замяніць два асобныя кантролеры адным модулем на базе Loongson 2K1000, скараціўшы прастору, патрабаваную ў шафе кіравання, на 40%.

Перыферыйная інтэграцыя і інтэрфейсы ўводу-вываду

Канцэпцыя SoC заключаецца ў максімальнай інтэграцыі перыферыйных прылад у чыпе, і Loongson 2 дэманструе падыход, арыентаваны на прамысловую ўніверсальнасць. Чып уключае ў сябе кантролеры PCIe 2.0/3.0, Gigabit Ethernet (часта некалькі партоў з падтрымкай IEEE 1588 PTP для сінхранізацыі часу), USB 2.0/3.0, а таксама састарэлыя прамысловыя інтэрфейсы: UART, SPI, I2C і GPIO. Наяўнасць апаратнага кантролера CAN-шыны (у некаторых мадыфікацыях або праз знешнія масты з кіраваннем па PCIe) робіць яго прывабным для аўтамабільнай і станкабудаўнічай прамысловасці.

Асаблівая ўвага варта надаць графічнай падсістэме. Убудаваны графічны працэсар звычайна заснаваны на архітэктуры, якая падтрымлівае OpenGL ES 2.0/3.0. Гэтага дастаткова для рэндэрынгу сучасных інтэрфейсаў SCADA і панэляў аператара, але недастаткова для складанай 3D-візуалізацыі. Інжынерам важна памятаць, што драйверы DRM/KMS у ядры Linux для гэтых графічных працэсараў працягваюць развівацца. Калі ваш праект патрабуе пэўных графічных эфектаў, мы раім вам загадзя праверыць падтрымку неабходных фрэймворкаў (Qt, GTK) у мэтавым дыстрыбутыве Linux (напрыклад, Alt Linux або ROSA).

Інтэрфейсы захоўвання дадзеных прадстаўлены кантролерам SATA III і падтрымкай NAND Flash праз інтэрфейс eMMC або SDIO. Гэта дазваляе ствараць безвентылятарныя сістэмы з высокай надзейнасцю. Адсутнасць рухомых частак з'яўляецца ключом да працы ва ўмовах высокай вібрацыі. Аднак пры выбары памяці NAND неабходна ўлічваць алгарытмы выраўноўвання зносу, рэалізаваныя на ўзроўні кантролера SoC. У нашых тэстах мы заўважылі, што выкарыстанне якасных чыпаў памяці з запасам цыклаў перазапісу падаўжае тэрмін службы прылады ў 2-3 разы ў параўнанні з бюджэтнымі аналагамі нават пры актыўнай логіцы збору дадзеных.

Сеткавыя магчымасці выходзяць за рамкі простага Ethernet. Апаратная падтрымка разгрузкі сеткавых пакетаў разгружае працэсар пры высокіх хуткасцях перадачы даных. Гэта вельмі важна для маршрутызатараў і брандмаўэраў. Падтрымка VLAN, QoS і апаратнага шыфравання трафіку (падрабязней пра гэта ніжэй) дазваляе будаваць абароненыя сегменты сеткі без выкарыстання дадатковых паскаральнікаў. Для інтэгратараў гэта азначае спрашчэнне спісу матэрыялаў (BOM) і зніжэнне рызыкі несумяшчальнасці кампанентаў.

Апаратная бяспека і крыптаграфічныя паскаральнікі

У сучасных рэаліях кібербяспека ўбудаваных сістэм перайшла з катэгорыі «пажаданай» у «абавязковую». Архітэктура Loongson 2 уключае спецыяльны крыптаграфічны модуль, які падтрымлівае кітайскія нацыянальныя стандарты шыфравання (SM2, SM3, SM4), а таксама міжнародныя алгарытмы (AES, SHA, RSA). Наяўнасць апаратнага генератара выпадковых лікаў (TRNG) забяспечвае высокую якасць энтрапіі для крыптаграфічных ключоў, што часта з'яўляецца слабым месцам недарагіх мікракантролераў.

Для расійскага рынку асабліва важны аспект імпартазамяшчэння і захавання нарматыўных патрабаванняў. Нягледзячы на ​​тое, што алгарытмы SM з'яўляюцца кітайскімі стандартамі, архітэктура адкрыта для рэалізацыі расійскіх ДАСТ 28147-89 і ДАСТ Р 34.12-2015 на праграмным або праграмуемым узроўні (праз структуру FPGA, калі яна ёсць у SoC, або праз аптымізаваныя бібліятэкі OpenSSL). Мы паспяхова рэалізавалі праекты, дзе базавая крыптаграфія выконвалася апаратна, а спецыфічныя алгарытмы ДАСТ выконваліся ў аптымізаваным праграмным забеспячэнні з выкарыстаннем вектарных інструкцый LSX для паскарэння. Гэта забяспечыла прапускную здольнасць зашыфраванага канала да 800 Мбіт/с, што дастаткова для большасці прамысловых прыкладанняў.

Бяспечная загрузка рэалізавана на апаратным узроўні. Ланцужок даверу пачынаецца з нязменнага кода ў ПЗУ, які правярае подпіс загрузчыка U-Boot, які, у сваю чаргу, правярае подпіс ядра Linux. Гэта абараняе прыладу ад усталявання шкоднасных праграм, нават калі зламыснік мае фізічны доступ. У нашай практыцы быў выпадак, калі кліент спрабаваў зэканоміць на ўкараненні Secure Boot, што прывяло да кампраметацыі партыі прылад у палявых умовах. Для выпраўлення сітуацыі патрабавалася поўная замена прашыўкі і лагістычныя выдаткі, якія ў 10 разоў перавышаюць эканомію на распрацоўцы. Ніколі не ігнаруйце гэты крок.

Акрамя таго, архітэктура падтрымлівае ізаляцыю дамена бяспекі. Крытычна важныя працэсы могуць працаваць у бяспечным асяроддзі, недаступным для галоўнага прыкладання. Гэта адпавядае прынцыпам архітэктуры нулявога даверу. Для сертыфікаваных сістэм інфармацыйнай бяспекі (СІБ) такая апаратная база з'яўляецца выдатным падмуркам, які дазваляе прайсці сертыфікацыю на больш высокія класы бяспекі з меншымі выдаткамі на распрацоўку праграмнага забеспячэння.

Экасістэма праграмнага забеспячэння і сумяшчальнасць з Linux

Абсталяванне бескарысна без праграмнага забеспячэння. Галоўная перавага Loongson 2 - яго развітая падтрымка ў ядры Linux. Пачынаючы з версіі ядра 5.19 і асабліва ў галінах 6.x+, падтрымка архітэктуры LoongArch стала звычайнай. Гэта азначае, што большасць сучасных дыстрыбутываў (Debian, Fedora, OpenEuler, Alt Linux) працуюць на гэтых чыпах адразу або з мінімальнай канфігурацыяй. Для распрацоўшчыкаў гэта здымае галаўны боль ад напісання драйвераў нізкага ўзроўню з нуля.

Кампілятары GCC і LLVM таксама маюць поўную падтрымку LoongArch. Мы рэкамендуем выкарыстоўваць GCC версіі 12.1 або вышэй, каб атрымаць найлепшую аптымізацыю кода. Важна адзначыць, што супольнасць актыўна партуе папулярныя бібліятэкі. Python, Java (OpenJDK), Node.js, Docker - усе гэтыя інструменты даступныя. Аднак пры выкарыстанні прапрыетарнага праграмнага забеспячэння або прапрыетарных бібліятэк, скампіляваных для x86_64 або ARM, узнікнуць праблемы. Эмуляцыя магчымая, але прадукцыйнасць катастрафічна ўпадзе. Такім чынам, стратэгія міграцыі павінна ўключаць перакампіляцыю ўсяго стэка прыкладанняў з зыходнага кода.

Для прамысловых прыкладанняў мы часта выкарыстоўваем дыстрыбутывы доўгатэрміновай падтрымкі (LTS). Стабільнасць API і ABI ў такіх сістэмах гарантуе, што ваша прылада будзе працаваць без змены праграмнага забеспячэння на працягу 5-10 гадоў. Loongson забяспечвае BSP (Board Support Package) для сваіх эталонных плат, што з'яўляецца выдатнай адпраўной кропкай для стварэння ўласнага вобраза сістэмы. Не спрабуйце напісаць BSP з нуля, калі ў вас няма каманды з 10+ інжынераў Embedded. Адаптацыя існуючага BSP да вашага дызайну займае тыдні, а не гады.

Дакументацыя і супольнасць. Хаця дакументацыя на англійскай мове становіцца ўсё больш даступнай, большая частка тэхнічных дэталяў па-ранейшаму даступная на кітайскай мове. Гэта стварае бар'ер для ўваходу. Мы рэкамендуем усталяваць прамы кантакт з пастаўшчыкамі, якія могуць аказаць тэхнічную падтрымку зразумелай мовай або маюць досвед працы з гэтай архітэктурай. Памылкі ў разуменні рэгістраў кіравання харчаваннем або гадзіннікам могуць прывесці да нестабільнай працы, якую цяжка дыягнаставаць.

Параўнанне з альтэрнатывамі: калі выбраць Loongson 2?

Каб прыняць абгрунтаванае рашэнне, вам трэба параўнаць Loongson 2 з яго асноўнымі канкурэнтамі ў сегменце ўбудавальных убудаваных сістэм: ARM (NXP i.MX, Rockchip) і x86 (Intel Atom, AMD G-Series). Ніжэй прадстаўлена параўнальная табліца асноўных параметраў.

Выбар Loongson 2 апраўданы, калі вашым прыярытэтам з'яўляецца доўгатэрміновая гарантыя паставак і незалежнасць ад заходніх рэжымаў санкцый. Калі вам патрэбна праца з Windows або максімальная энергаэфектыўнасць акумулятарных прылад, лепш звярнуць увагу на ARM. Калі вам трэба запускаць устарэлыя прыкладанні x86 без перакампіляцыі, Loongson не будзе працаваць. Аднак для новых распрацовак Linux у прамысловым сектары Loongson 2 прапануе ідэальны баланс цаны, прадукцыйнасці і бяспекі паставак.

Практычныя рэкамендацыі па рэалізацыі і закупках

Пачынаючы праект на базе Loongson 2 SoC, мы рэкамендуем пачаць з платы распрацоўкі ад афіцыйнага партнёра. Не спрабуйце адразу стварыць уласную матчыну плату. Спачатку перанясіце праграмнае забеспячэнне, ацаніце рэальнае энергаспажыванне і цеплавыя ўмовы ў вашым выпадку. Толькі пасля таго, як архітэктура праграмнага забеспячэння будзе зацверджана, пераходзіце да карыстацкага абсталявання. Гэта дазволіць зэканоміць да 30% бюджэту на НДДКР.

Звярніце ўвагу на тэмпературны дыяпазон чыпа. Прамысловыя версіі (звычайна з суфіксам «I» або асобнай маркіроўкай) гарантуюць працу ад -40°C да +85°C. Камерцыйныя версіі могуць дроселировать (змяншаць частату) ужо пры +70°C. У нашым выпадку ўстаноўка таварнага чыпа ў неацяпляемым шафе прывяла да адключэння канвеера зімой. Розніца ў кошце паміж версіямі складае каля 15-20%, але эканомія на гэтым недапушчальная для крытычнай інфраструктуры.

Пры куплі правярайце наяўнасць сертыфікатаў адпаведнасці. Для расійскага рынку неабходны сертыфікат ТР МС (ЕАС). Многія кітайскія вытворцы маюць гэтыя сертыфікаты для сваіх модуляў, але калі вы імпартуеце мікрасхемы асобна, адказнасць за сертыфікацыю канчатковай прылады кладзецца на вас. Пераканайцеся, што пастаўшчык прадаставіў поўную дэкларацыю аб адпаведнасці і пратаколы выпрабаванняў. Гэта паскорыць працэс легалізацыі вашага тавару на рынку.

Надзейнасць ланцужка паставак гуляе такую ​​ж важную ролю, як і тэхнічныя характарыстыкі самога чыпа. Вось тут і прыходзіць на дапамогу вопыт кампанііWuhan Xinhualong Technology LLC. З'яўляючыся прафесійным дыстрыб'ютарам, заснаваным у 2009 годзе ў цэнтры кітайскай мікраэлектроннай прамысловасці, Кітайскай аптычнай даліне (Ухань), кампанія служыць ключавым звяном паміж вытворцамі інтэгральных схем і канчатковымі карыстальнікамі.

У адрозненне ад шэрых пастаўшчыкоў, Wuhan Xinhualong Technologies забяспечвае цалкам легальную і празрыстую лагістыку: уся прадукцыя пастаўляецца выключна па афіцыйных каналах, што гарантуе 100% сапраўднасць камплектуючых і адсутнасць рызыкі атрымання ремаркетинговых (адноўленых) чыпаў. Акрамя працэсараў Loongson, у партфоліо кампаніі прадстаўлены шырокі спектр высокатэхналагічных рашэнняў для прамысловай аўтаматызацыі і тэлекамунікацый: ад аналагава-лічбавых пераўтваральнікаў серый LHA6961 і ZJC2000 да радыёчастотных модуляў R-FDM320R069 і кантролераў харчавання.

Асаблівую каштоўнасць для інжынераў мае наяўнасць штатных экспертаў па прымяненню (FAE). Каманда Wuhan Xinhualong Technology валодае глыбокім вопытам інтэграцыі электронных кампанентаў і гатова аказаць тэхнічную падтрымку на ўсіх этапах - ад выбару аптымальнай канфігурацыі SoC да паслягарантыйнай падтрымкі. Геаграфічнае прысутнасць кампаніі ахоплівае ключавыя прамысловыя цэнтры, у тым ліку краіны СНД, што дазваляе мінімізаваць тэрміны пастаўкі і аператыўна рэагаваць на запыты кліентаў. Супрацоўніцтва з такім партнёрам зніжае рызыку прастою вытворчасці і забяспечвае ўпэўненасць у якасці кожнага пастаўляецца кампанента.

Часта задаюць пытанні

Ці можна запусціць Windows на Loongson 2?

Не, роднай версіі Windows для архітэктуры LoongArch няма. Ёсць эксперыментальныя спробы выканаць эмуляцыю x86, але прадукцыйнасць будзе непрымальна нізкай для практычнага выкарыстання. Loongson 2 прызначаны для працы з Linux (Ubuntu, Debian, Fedora, Alt Linux, ROSA) і іншымі Unix-падобнымі сістэмамі. Калі Windows мае вырашальнае значэнне, разгледзьце платформы x86.

Якая рэальная прадукцыйнасць Loongson 2K1000 у параўнанні з Raspberry Pi 4?

У аднаструменных задачах Loongson 2K1000 параўнальны або крыху саступае Raspberry Pi 4 (BCM2711) з-за больш нізкай тактавай частаты. Аднак у шматструменных і SIMD-інтэнсіўных (LSX) працоўных нагрузках Loongson можа працаваць лепш дзякуючы больш шырокаму канвееру. Галоўная перавага Loongson не ў пікавай магутнасці, а ў наяўнасці прамысловых інтэрфейсаў (CAN, некалькі Ethernet) і падтрымкі памяці ECC з скрынкі, чаго няма ў Raspberry Pi.

Ці складана перанесці прыкладанне з x86 на Loongson?

Калі ваша прыкладанне напісана на мовах высокага ўзроўню (C/C++, Python, Go, Java) і выкарыстоўвае стандартныя бібліятэкі, партаванне зводзіцца да перакампіляцыі зыходнага кода на мэтавай платформе або крос-кампіляцыі. Праблемы могуць узнікнуць толькі ў тым выпадку, калі вы выкарыстоўвалі ўстаўкі зборкі x86 (SSE/AVX) або прапрыетарныя бібліятэкі без зыходных кодаў. У гэтым выпадку вам трэба будзе перапісаць раздзелы кода нізкага ўзроўню з дапамогай інструкцый LoongArch LSX/LASX.

Дзе купіць Loongson 2 SoC оптам?

Мы з'яўляемся афіцыйным дыстрыбутарам і прапануем пастаўкі працэсараў Loongson і гатовых модуляў ад вытворцы. Мы забяспечваем тэхнічную падтрымку, дапамогу ў падборы аналагаў і захаванне ўсіх патрабаванняў расійскага заканадаўства.Звяжыцеся з намі сённяатрымаць камерцыйную прапанову і кансультацыю аб наяўнасці тавараў.

Архітэктура Loongson 2 SoC - гэта спелае, надзейнае рашэнне для тых, хто будуе будучыню прамысловай аўтаматызацыі, незалежна ад геапалітычных рызык. Выбар правільнай платформы сёння забяспечыць стабільнасць вашага бізнесу заўтра.