STPC® CONSUMER-II：一款强大的x86核心PC兼容信息家电片上系统

在当今的电子世界中，片上系统（SoC）的发展日新月异，为各种电子设备带来了更强大的性能和更高的集成度。STPC® CONSUMER-II就是这样一款引人注目的产品，它集成了多种功能，为消费级PC兼容子系统提供了一站式解决方案。

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一、产品概述

STPC Consumer-II集成了标准的第五代x86核心、同步DRAM控制器、图形子系统、视频流水线以及支持逻辑，包括PCI、ISA和IDE控制器，能够在单个设备上提供面向消费者的PC兼容子系统。它采用了紧密耦合的统一内存架构（UMA），实现了CPU、图形和视频之间的内存共享，有效减少了系统总内存，同时提高了系统性能。该产品采用388引脚塑料球栅阵列（PBGA）封装。

二、主要功能模块

（一）x86处理器核心

• 高性能处理：采用全静态32位五级流水线，与x86处理器完全兼容，支持最高4GB的外部内存访问。
• 缓存设计：拥有8KB统一指令和数据缓存，具备写回和直写能力，提高了数据的读写速度。
• 浮点运算：集成并行处理浮点单元，具备自动掉电功能，降低了功耗。
• 时钟频率：可运行在最高100MHz（x1）或133MHz（x2），采用全静态设计，支持动态时钟控制，具备低功耗和系统管理模式，针对2.5V操作进行了优化。

（二）SDRAM控制器

• 数据总线：采用64位数据总线，最高支持100MHz的SDRAM时钟速度。
• 内存支持：集成系统内存、图形帧内存和视频帧内存，支持2MB至128MB的系统内存，以及16、64和128Mbit的SDRAM，还支持8、16、32、64和128MB的DIMM，包括缓冲、非缓冲和注册DIMM。
• 缓冲设计：具备四线写缓冲和四线读预取缓冲，支持可编程延迟和可编程SDRAM参数，支持-8、-10、-12、-13、-15内存部件，以及1MB至8MB的PCI/ISA总线内存空洞。

（三）2D图形控制器

• 加速功能：64位Windows加速器，向后兼容SVGA标准，具备文本、位块传输、透明块传输和填充的硬件加速功能。
• 光标与帧缓冲：支持最高64x64位图形硬件光标，最大4MB的线性帧缓冲，支持8、16、24和32位像素，适用于各种操作系统的驱动程序。

（四）CRT控制器

• 高分辨率显示：集成135MHz三重RAMDAC，支持1280x1024x75Hz的显示，需要外部频率合成器和参考源。
• 像素支持：支持8、16、24位像素，可实现隔行或非隔行输出，仅需要外部参考源。

（五）视频输入端口

• 视频输入：接受ITU - R 601模式的视频输入，可选2:1抽取器，将捕获的视频存储在板载帧缓冲的偏移区域。
• 视频输出：支持视频直通到电视输出，实现全屏视频图像，可生成HSYNC和B/T信号或锁定外部视频时序源。

（六）视频流水线

• 滤波与转换：采用双抽头插值水平滤波器和双抽头插值垂直滤波器，实现颜色空间转换（RGB到YUV和YUV到RGB）。
• 窗口设置：支持可编程窗口大小，具备色度和颜色键控功能，用于集成视频叠加。

（七）视频输出

• 编码支持：支持NTSC - M、PAL - B、D、G、H、I、M、N编码，以及ITU - R 601编码，可编程颜色副载波频率。
• 输出接口：提供ITU - R 656视频输出信号接口，具备四种模拟输出配置，包括R、G、B + CVBS和C、YS、CVBS1 + CVBS2，支持无闪烁隔行输出，可编程双抽头滤波器和伽马校正或三抽头闪烁滤波器，支持隔行或非隔行操作模式，具备逐行到隔行扫描转换器，可通过特定陷阱滤波减少CVBS流中的交叉颜色，每个DAC支持掉电模式。

（八）PCI控制器

• 标准兼容：完全符合PCI 2.1规范，集成PCI仲裁接口，最多可直接连接3个主设备，通过外部PAL可支持更多主设备。
• 总线转换：支持PCI周期到ISA总线的转换，以及ISA主设备发起的周期到PCI的转换，支持PCI主设备的突发读写。
• 时钟设置：PCI时钟为CPU总线时钟的1/2、1/3或1/4。

（九）ISA主/从设备

• 时钟生成：可从14.318MHz振荡器时钟或PCI时钟生成ISA时钟，支持可编程额外等待状态和I/O恢复时间。
• 快速控制：具备快速Gate A20和快速复位功能，支持C、D或E块与F块BIOS ROM共享的单个ROM，支持闪存ROM和ISA隐藏刷新，缓冲DMA和ISA主设备周期，减少PCI和主机总线的带宽占用。

（十）本地总线接口

• 接口特性：与ISA/DMA接口复用，低延迟异步总线，22位地址总线，16位数据总线具备字导向能力，可编程时序，支持32位闪存突发，具备两级硬件密钥保护，支持两个16MB闪存设备的存储体，引导块映射到0x000F0000。

（十一）IDE接口

• 设备支持：支持PIO模式，传输速率最高可达22MB/秒，支持最多4个IDE设备，支持并发通道操作（PIO模式），每个通道具备4x32位缓冲FIFO，支持PIO模式3和4，支持所有四个IDE设备的独立驱动器时序，支持传统和原生IDE模式，支持大于528MB的硬盘驱动器，支持CD - ROM和磁带外设，向后兼容IDE（ATA - 1），适用于Windows和其他操作系统的驱动程序。

（十二）集成外设控制器

• 控制器功能：2x8237/AT兼容的7通道DMA控制器，2x8259/AT兼容的中断控制器，16个中断输入（ISA和PCI），三个8254兼容的定时器/计数器，协处理器错误支持逻辑。

（十三）电源管理

• 节能模式：具备四种节能模式：开启、打盹、待机、挂起，可编程系统活动检测器，支持Intel和Cyrix SMM和APM，支持STOPCLK，支持IO陷阱和重启，独立外设超时定时器，用于监控硬盘、串行和并行端口，具备128K SM_RAM地址空间（从0xA0000到0xB0000）。

（十四）JTAG

• 测试功能：符合IEEE1149.1边界扫描标准，具备扫描链控制、旁路寄存器和ID寄存器，支持RAM BIST控制。

三、电气特性

（一）绝对最大额定值

• 电源电压：DC电源电压VDDx范围为 - 0.3V至4.0V，核心DC电源电压VCORE范围为 - 0.3V至2.7V。
• 输入输出电压：数字输入和输出电压V I、V O范围为 - 0.3V至VDD + 0.3V，5V容限V 5T范围为 - 0.3V至5.5V。
• ESD容量：人体模式下ESD容量为2000°C。
• 温度范围：存储温度T STG范围为 - 40°C至 + 150°C，工作温度T OPER范围为0°C至 + 85°C（商业）或 - 40°C至 + 115°C（工业）。
• 功耗：最大功耗P TOT为4.8W。

（二）DC特性

• 工作电压：VDD工作电压范围为3.0V至3.6V，VCORE工作电压范围为2.45V至2.7V。
• 电源功率：VDD电源功率最大为0.18W，VCORE电源功率最大为2.90W。
• 输入电压：输入低电压VIL除XTALI外为 - 0.3V至0.8V，XTALI为 - 0.3V至0.8V；输入高电压VIH除XTALI外为2.1V至VDD + 0.3V，XTALI为2.35V至VDD + 0.3V。
• 输入泄漏电流：输入和I/O的输入泄漏电流LK范围为 - 5uA至5uA，集成上拉/下拉电阻为50KΩ。

（三）AC特性

详细列出了SDRAM接口、PCI接口、IPC接口、ISA接口、本地总线接口、VGA接口、视频输入端口、IDE接口和JTAG接口的AC特性，包括时钟周期、延迟、建立时间、保持时间等参数。

四、机械数据

（一）388引脚封装尺寸

详细描述了388引脚PBGA封装的尺寸，包括PCB尺寸和封装本身的尺寸，提供了相应的图表和数据。

（二）388引脚封装热数据

388引脚PBGA封装的功率耗散能力为4.5W，使用散热器时可提高到6W，给出了热耗散的结构和不同情况下的热阻数据。

（三）焊接建议

强调了高质量、低缺陷焊接需要确定最佳的回流焊温度曲线，包括预热、干燥、回流和冷却阶段，预热阶段要将温度上升速率控制在2°C/秒以内，以减少对半导体组件的热冲击，回流阶段要使焊膏温度超过熔点约20°C，确保良好的回流质量。

五、设计指南

（一）典型应用

• Web Box：作为模拟机顶盒，为电视机提供互联网浏览功能，具备电视输出、调制解调器、智能卡接口和红外接口。

（二）STPC配置

• 总线选择：ISA总线是标准总线但速度较慢，本地总线速度快且可编程，但不支持DMA和外部主设备机制，可根据具体需求选择。
• 时钟配置：CPU时钟和内存时钟在“同步模式”下相互关联，不同的时钟配置会影响系统性能和功耗，可根据应用需求选择合适的配置。

（三）架构建议

• 电源去耦：对各种STPC电源引脚进行适当去耦，特别是PLL去耦和3.3V与Vcore的去耦，以确保信号完整性、系统稳定性和降低EMC。
• 14MHz振荡器阶段：可使用石英或外部3.3V振荡器实现14.31818MHz振荡器阶段，要注意晶体的参数和平衡电容的添加，建议对该阶段进行屏蔽以减少抖动。
• SDRAM：STPC提供SDRAM控制信号，支持最多128MB的主内存，图形内存位于Bank 0的开头，主机内存从图形内存顶部开始，给出了不同内存配置的典型实现和相关的引脚映射。
• PCI总线：PCI总线始终处于活动状态，相关控制信号需要通过2K2电阻上拉到3.3V或5V，PCI_CLKO需要通过10至33欧姆电阻连接到PCI_CLKI，在高时钟负载情况下建议使用零延迟时钟缓冲器。
• 本地总线：本地总线可连接闪存设备或I/O设备，给出了典型的16位引导闪存实现。
• IPC：大多数IPC信号是复用的，给出了IRQ和DMA请求的典型复用和去复用实现。
• IDE/ISA动态解复用：描述了如何实现IDE和ISA接口的外部胶合逻辑解复用。
• 基本音频使用IDE接口：在只需要基本音频功能的应用中，可使用IDE接口上的音频DAC，通过DMA控制器实现低CPU消耗的16位立体声声音。
• VGA接口：STPC集成了电压参考和视频缓冲器，外部设备最少，给出了典型的VGA实现，COL_SEL可用于实现画中画功能。
• TV接口：STPC集成了电压参考和视频DAC，外部设备主要是视频缓冲器，给出了典型的TV接口实现，可通过增益控制寄存器进行输出电平微调。
• JTAG接口：STPC集成了JTAG接口，用于扫描链和板载测试，只需要外部上拉电阻。

（四）布局和布线建议

• 一般建议：一些STPC接口运行速度较高，需要仔细布线和屏蔽，如内存接口、PCI总线、图形和视频接口以及14MHz振荡器阶段，时钟信号应优先布线并屏蔽，高速信号和模拟噪声敏感信号需要分开布线。
• PLL定义和实现：PLL是模拟单元，为了获得最干净的时钟，需要尽量减少电源上的抖动，可采用单个电源平面或多个电容进行滤波。
• 内存接口：为了实现100MHz及以上的SDRAM内存接口，需要考虑接口的时序和各种电气和物理约束，包括SDRAM时钟方案、板布局问题等，如时钟线长度匹配、信号终止等。
• PCI接口：为了实现最高33MHz的PCI接口，需要考虑接口的时序和各种电气和物理约束，PCI时钟需要通过可编程延迟线和时钟分频器从HCLK生成，时钟线长度需要匹配。
• 热耗散：热耗散主要取决于电源电压，可通过降低电压、关闭未使用的接口和功能、动态调整时钟速度等方式降低功耗，同时要注意热球的连接和散热设计，如使用金属层、将PBGA与金属底盘热连接等。

（五）调试方法

• 电源供应：在组装过程中，检查裸PCB上各电源和接地平面之间的潜在短路，系统上电后，检查所有电源供应，包括PLL电源引脚的电压是否在正确范围内。
• 启动序列：检查复位序列，确保SYSRSTI#信号符合时序要求，无毛刺，并保持低电平直到14.31818MHz输出（OSC14M）频率正确且配置选项稳定；检查配置选项是否正确设置和采样；测量主机时钟（HCLK）、PCI时钟（PCI_CLKO、PCI_CLKI）和内存时钟（MCLKO、MCLKI）的频率和稳定性；检查SYSRSTO#输出信号是否符合要求。
• ISA模式：在检查ISA总线控制信号之前，确保PCI_CLKI、ISA_CLK、ISA_CLK2X和DEV_CLK正常运行；检查RMRTCCS#和FRAME#信号，以确认是否正确获取启动代码；根据启动闪存的大小，检查MEMCS16#信号；通过POST代码检查启动过程的完成情况。
• 本地总线模式：检查FCS0#信号，以确认是否正确获取启动代码；本地总线仅支持16位启动内存设备；同样可通过POST代码检查启动过程。

六、订购信息

提供了STPC Consumer-II的订购代码和可用的部件编号，包括核心频率、CPU模式、接口速度和温度范围等信息，并提供了STMicroelectronics的客户服务网站。

STPC® CONSUMER-II是一款功能强大、集成度高的片上系统，为消费级PC兼容应用提供了丰富的功能和灵活的配置选项。在设计和使用过程中，需要充分考虑其电气特性、机械特性和设计指南，以确保系统的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师在使用STPC Consumer-II进行设计时提供有益的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。