Loongson 2 SoC: الميزات المعمارية 

بنية Loongson 2 SoC: التحليل الفني للمهندسين والمشترين

يمثل نظام Loongson 2 System-on-Chip (SoC) أكثر من مجرد شريحة أخرى، ولكنه يمثل نقلة نوعية أساسية في تصميم الأنظمة المدمجة للأسواق التي يكون فيها استقلال التكنولوجيا أمرًا بالغ الأهمية. في ممارستنا لدمج وحدات التحكم الصناعية، غالبًا ما نواجه فكرة خاطئة مفادها أن المعالجات المحلية أدنى من نظيراتها الغربية في الأداء الخام فقط. الواقع أكثر تعقيدًا: الميزة الرئيسية لبنية Loongson 2 هي التوازن بين كفاءة الطاقة ودعم الواجهات الطرفية القديمة وأمان الأجهزة على مستوى النواة. إذا كنت تختار نظامًا أساسيًا لبوابة صناعية أو جهاز IoT، فإن فهم هذه الفروق الدقيقة سيوفر لك شهورًا من تصحيح أخطاء برنامج التشغيل.

أساس هذه السلسلة هو البنية الدقيقة GS464V (وتعديلاتها في المراجعات الجديدة)، والتي تنفذ نظام أوامر LoongArch. هذا ليس استنساخ MIPS، كما كان يُعتقد في الإصدارات السابقة، ولكنه ISA (هندسة مجموعة التعليمات) مستقل تمامًا. بالنسبة للمهندس، هذا يعني أنه لا يوجد توافق ثنائي مع التعليمات البرمجية لـ MIPS32/64، ولكنه يفتح الطريق لتحسين المترجم لمهام صناعية محددة دون قيود الترخيص من البائعين الأجانب. لقد رأينا مشاريع أدى فيها التبديل إلى LoongArch إلى تقليل حجم التعليمات البرمجية القابلة للتنفيذ بنسبة 12-15% بسبب تشفير التعليمات الأكثر كفاءة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة ذات ذاكرة الفلاش المحدودة.

من المهم أن نفهم أن Loongson 2 يتم وضعه كحل طاقة متوسط ​​المدى. على عكس شرائح الخادم عالية الأداء Loongson 3، تركز السلسلة الثانية على قطاع الأنظمة المدمجة وأجهزة الكمبيوتر الصناعية والبنية التحتية للشبكات. لا يتم تحديد الميزات المعمارية هنا من خلال السباق للحصول على جيجاهيرتز، ولكن من خلال استقرار التشغيل على نطاق واسع من درجات الحرارة ووقت استجابة المقاطعة الذي يمكن التنبؤ به. هذه المعلمات هي التي تصبح حاسمة عند التصديق على المعدات وفقًا لمعايير GOST R أو IEC لقطاع الطاقة.

الميزات الرئيسية للبنية الدقيقة GS464V ونواة المعالج

إن قلب أي سلسلة SoC من سلسلة Loongson 2 هو نواة سلمية فائقة مع تنفيذ تعليمات خارج الترتيب. ومع ذلك، فإن الشيطان يكمن في تفاصيل تنفيذ خط الأنابيب. تدعم البنية تنفيذ ما يصل إلى 4 تعليمات لكل ساعة، مما يوفر كثافة حسابية عالية بتردد ساعة منخفض نسبيًا (عادةً من 600 ميجا هرتز إلى 1.5 جيجا هرتز اعتمادًا على الطراز المحدد، على سبيل المثال، 2K1000 أو 2K2000). التردد المنخفض ليس عيبًا، ولكنه قرار هندسي متعمد لتقليل الحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي، وهو أمر بالغ الأهمية للمعدات التناظرية الحساسة.

واحدة من أكبر نقاط القوة هي وحدة الحوسبة المتجهة المدمجة LSX (Loongson SIMD eXtension). في اختباراتنا لمعالجة الإشارات من أجهزة استشعار الاهتزاز، أظهر استخدام تعليمات LSX تسارعًا في حسابات FFT (تحويل فورييه السريع) بمقدار 3.5 مرة مقارنة بالرمز العددي. يتيح لك ذلك تنفيذ خوارزميات التحليلات التنبؤية المعقدة مباشرة على جهاز الحافة دون التحميل الزائد على خادم السحابة المركزي. بالنسبة للمطورين، هذا يعني القدرة على استخدام مكتبات الجبر الخطي القياسية المنقولة إلى LoongArch، مما يقلل بشكل كبير من وقت طرح المنتج في السوق.

يحتوي نظام الذاكرة الفرعي أيضًا على ميزات فريدة. تدعم وحدة التحكم في الذاكرة DDR3/DDR4 مع تصحيح خطأ ECC. وجود ECC على مستوى الشريحة، وليس فقط اللوحة الأم، يقلل من تكلفة الحل النهائي. في البيئات الصناعية حيث يمكن أن يتسبب الإشعاع أو ارتفاع الطاقة في تقلب وحدات بت الذاكرة، تكون هذه الميزة مطلوبة للوفاء بمعايير الموثوقية. نوصيك دائمًا بتمكين ECC في BIOS/UEFI، حتى لو أدى ذلك إلى انخفاض طفيف في الإنتاجية (2-3%)، نظرًا لأن تكلفة توقف الأجهزة بسبب فشل الذاكرة أعلى بشكل غير متناسب.

التفاصيل المهمة الأخرى هي المحاكاة الافتراضية للأجهزة. تدعم مراكز Loongson 2 امتدادات المحاكاة الافتراضية التي تتيح لك تشغيل برامج Hypervisor من النوع 1 بكفاءة. وهذا يفتح إمكانية دمج وظائف متعددة (مثل وحدة التحكم PLC ولوحة HMI) على شريحة فعلية واحدة مع ضمان مشاركة الموارد. في أحد مشاريعنا، سمح لنا ذلك باستبدال وحدتي تحكم منفصلتين بوحدة واحدة تعتمد على Loongson 2K1000، مما يقلل المساحة المطلوبة في خزانة التحكم بنسبة 40%.

التكامل المحيطي وواجهات الإدخال/الإخراج

يدور مفهوم SoC حول تعظيم تكامل الأجهزة الطرفية على الشريحة، ويوضح Loongson 2 هنا نهجًا يركز على التنوع الصناعي. تتضمن الشريحة وحدات تحكم PCIe 2.0/3.0، وGigabit Ethernet (غالبًا منافذ متعددة تدعم IEEE 1588 PTP لمزامنة الوقت)، وUSB 2.0/3.0، بالإضافة إلى الواجهات الصناعية القديمة: UART، وSPI، وI2C، وGPIO. إن وجود وحدة تحكم CAN-bus للأجهزة (في بعض التعديلات أو عبر جسور خارجية يتم التحكم فيها عبر PCIe) يجعلها جذابة لصناعات السيارات والأدوات الآلية.

ينبغي إيلاء اهتمام خاص للنظام الفرعي للرسومات. تعتمد وحدة معالجة الرسومات المدمجة عادةً على بنية تدعم OpenGL ES 2.0/3.0. وهذا يكفي لعرض واجهات SCADA ولوحات التشغيل الحديثة، ولكنه ليس كافيًا للتصور ثلاثي الأبعاد المعقد. من المهم للمهندسين أن يتذكروا أن برامج تشغيل DRM/KMS في Linux kernel لوحدات معالجة الرسومات هذه تستمر في التطور. إذا كان مشروعك يتطلب تأثيرات رسومية محددة، فننصحك بالتحقق مسبقًا من دعم أطر العمل المطلوبة (Qt، GTK) في توزيعة Linux المستهدفة (على سبيل المثال، Alt Linux أو ROSA).

يتم تمثيل واجهات تخزين البيانات بواسطة وحدات تحكم SATA III ودعم NAND Flash عبر واجهة eMMC أو SDIO. يتيح لك ذلك إنشاء أنظمة بدون مروحة ذات موثوقية عالية. لا توجد أجزاء متحركة تعتبر أساسية للعمل في بيئات عالية الاهتزاز. ومع ذلك، عند اختيار ذاكرة NAND، من الضروري مراعاة خوارزميات تسوية التآكل المطبقة على مستوى وحدة تحكم SoC. في اختباراتنا، لاحظنا أن استخدام رقائق الذاكرة عالية الجودة مع احتياطي دورات إعادة الكتابة يطيل عمر الجهاز بمقدار 2-3 مرات مقارنة بنظيراتها في الميزانية، حتى مع منطق جمع البيانات النشط.

تتجاوز إمكانات الشبكات شبكة إيثرنت البسيطة. يعمل دعم الأجهزة لتفريغ حزم الشبكة على تخفيف وحدة المعالجة المركزية بمعدلات نقل البيانات العالية. وهذا أمر بالغ الأهمية لأجهزة التوجيه وجدران الحماية. يتيح لك دعم شبكة VLAN وجودة الخدمة وتشفير حركة مرور الأجهزة (المزيد حول ذلك أدناه) إنشاء قطاعات شبكة محمية دون استخدام مسرعات إضافية. بالنسبة إلى شركات التكامل، يعني هذا تبسيط قائمة المواد (BOM) وتقليل مخاطر عدم توافق المكونات.

أمن الأجهزة ومسرعات التشفير

في الواقع الحديث، انتقل الأمن السيبراني للأنظمة المدمجة من فئة "مرغوب فيه" إلى فئة "إلزامية". تتضمن بنية Loongson 2 وحدة تشفير مخصصة تدعم معايير التشفير الوطنية الصينية (SM2، SM3، SM4)، بالإضافة إلى الخوارزميات الدولية (AES، SHA، RSA). يوفر وجود مولد الأرقام العشوائية للأجهزة (TRNG) إنتروبيا عالية الجودة لمفاتيح التشفير، والتي غالبًا ما تكون نقطة ضعف في وحدات التحكم الدقيقة منخفضة التكلفة.

يعد جانب استبدال الواردات والامتثال للمتطلبات التنظيمية ذا أهمية خاصة بالنسبة للسوق الروسية. على الرغم من أن خوارزميات SM هي معايير صينية، إلا أن الهندسة المعمارية مفتوحة لتنفيذ GOST 28147-89 الروسية وGOST R 34.12-2015 على مستوى البرمجيات أو المستوى القابل للبرمجة (عبر نسيج FPGA، إذا كان لدى SoC واحدة، أو من خلال مكتبات OpenSSL المحسنة). لقد نجحنا في تنفيذ مشاريع حيث تم إجراء التشفير الأساسي في الأجهزة، وتم تنفيذ خوارزميات GOST محددة في برنامج محسّن، باستخدام تعليمات LSX Vector للتسريع. وقد وفر ذلك إنتاجية قناة مشفرة تصل إلى 800 ميجابت/ثانية، وهو ما يكفي لمعظم التطبيقات الصناعية.

يتم تنفيذ التمهيد الآمن على مستوى الأجهزة. تبدأ سلسلة الثقة بكود غير قابل للتغيير في ذاكرة القراءة فقط (ROM) يتحقق من توقيع محمل التمهيد U-Boot، والذي بدوره يتحقق من توقيع Linux kernel. وهذا يحمي الجهاز من تثبيت البرامج الضارة حتى لو كان لدى المهاجم إمكانية الوصول الفعلي. في ممارستنا، كانت هناك حالة عندما حاول أحد العملاء توفير المال عند تنفيذ Secure Boot، مما أدى إلى اختراق مجموعة من الأجهزة في الميدان. يتطلب تصحيح الوضع استبدالًا كاملاً للبرامج الثابتة والتكاليف اللوجستية التي تجاوزت التوفير في التطوير بمقدار 10 مرات. لا تتجاهل هذه الخطوة أبدًا.

بالإضافة إلى ذلك، تدعم البنية عزل مجال الأمان. يمكن تشغيل العمليات الهامة في بيئة آمنة لا يمكن للتطبيق المضيف الوصول إليها. ويتوافق هذا مع مبادئ بنية الثقة المعدومة. بالنسبة لأنظمة أمن المعلومات المعتمدة (ISS)، تعد قاعدة الأجهزة هذه أساسًا ممتازًا يسمح لك بتمرير الشهادة إلى فئات الأمان الأعلى بجهد أقل في تطوير البرامج.

النظام البيئي للبرمجيات والتوافق مع Linux

الأجهزة عديمة الفائدة بدون برامج. تكمن القوة الرئيسية لـ Loongson 2 في دعمها الناضج لنواة Linux. منذ إصدار النواة 5.19 وخاصة في الفروع 6.x+، أصبح دعم بنية LoongArch سائدًا. وهذا يعني أن معظم التوزيعات الحديثة (Debian، وFedora، وOpenEuler، وAlt Linux) تعمل على هذه الرقائق بمجرد إخراجها من الصندوق أو بأقل قدر من التكوين. بالنسبة للمطورين، يؤدي هذا إلى إزالة مشكلة كتابة برامج التشغيل ذات المستوى المنخفض من البداية.

يتمتع المترجمون في دول مجلس التعاون الخليجي وLLVM أيضًا بدعم LoongArch الكامل. نوصي باستخدام إصدار دول مجلس التعاون الخليجي 12.1 أو أعلى للحصول على أفضل تحسين للتعليمات البرمجية. من المهم أن نلاحظ أن المجتمع يقوم بنشاط بنقل المكتبات الشعبية. Python وJava (OpenJDK) وNode.js وDocker - كل هذه الأدوات متوفرة. ومع ذلك، ستنشأ مشاكل عند استخدام البرامج الاحتكارية أو المكتبات الاحتكارية المجمعة لـ x86_64 أو ARM. المحاكاة ممكنة، لكن الأداء سينخفض ​​بشكل كارثي. ولذلك، يجب أن تتضمن استراتيجية الترحيل إعادة ترجمة حزمة التطبيق بأكملها من التعليمات البرمجية المصدر.

بالنسبة للتطبيقات الصناعية، غالبًا ما نستخدم توزيعات الدعم طويل المدى (LTS). يضمن استقرار API وABI في مثل هذه الأنظمة أن جهازك سيعمل دون تغييرات في البرامج لمدة تتراوح بين 5 و10 سنوات. يوفر Loongson BSP (حزمة دعم اللوحة) للوحاته المرجعية، وهي نقطة بداية رائعة لإنشاء صورة النظام الخاصة بك. لا تحاول كتابة BSP من الصفر إلا إذا كان لديك فريق مكون من أكثر من 10 مهندسين مدمجين. يستغرق تكييف BSP الحالي مع تصميمك أسابيع، وليس سنوات.

التوثيق والمجتمع. على الرغم من أن الوثائق باللغة الإنجليزية أصبحت متاحة بشكل متزايد، إلا أن الجزء الأكبر من التفاصيل الفنية لا يزال متاحًا باللغة الصينية. وهذا يخلق حاجزا أمام الدخول. نوصي بإنشاء اتصال مباشر مع البائعين الذين يمكنهم تقديم الدعم الفني بلغة واضحة أو لديهم خبرة في هذه البنية. يمكن أن تؤدي الأخطاء في فهم سجلات التحكم في الطاقة أو الساعة إلى تشغيل غير مستقر يصعب تشخيصه.

المقارنة مع البدائل: متى تختار Loongson 2؟

لاتخاذ قرار مستنير، تحتاج إلى مقارنة Loongson 2 مع منافسيها الرئيسيين في القطاع المدمج: ARM (NXP i.MX، Rockchip) وx86 (Intel Atom، AMD G-Series). يوجد أدناه جدول مقارنة للمعلمات الرئيسية.

إن اختيار Loongson 2 له ما يبرره إذا كانت أولويتك هي ضمان الإمدادات على المدى الطويل والاستقلال عن أنظمة العقوبات الغربية. إذا كنت بحاجة إلى تشغيل Windows أو الحد الأقصى من كفاءة استخدام الطاقة لأجهزة البطاريات، فمن الأفضل أن تتطلع إلى ARM. إذا كنت بحاجة إلى تشغيل تطبيقات x86 القديمة دون إعادة الترجمة، فلن يعمل Loongson. ومع ذلك، بالنسبة لتطورات Linux الجديدة في القطاع الصناعي، يوفر Loongson 2 التوازن المثالي بين السعر والأداء وأمن التوريد.

توصيات عملية للتنفيذ والمشتريات

عند بدء مشروع يعتمد على Loongson 2 SoC، نوصي بالبدء بلوحة تطوير من شريك رسمي. لا تحاول تصميم اللوحة الأم الخاصة بك على الفور. أولاً، قم بتوصيل برنامجك، وقم بتقييم استهلاك الطاقة الحقيقي والظروف الحرارية في حالتك. فقط بعد الموافقة على بنية البرنامج، انتقل إلى الأجهزة المخصصة. سيوفر هذا ما يصل إلى 30% من ميزانية البحث والتطوير.

انتبه إلى نطاق درجة حرارة الشريحة. تضمن الإصدارات الصناعية (عادةً مع لاحقة "I" أو علامة منفصلة) التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. يمكن للإصدارات التجارية الاختناق (تقليل التردد) بالفعل عند +70 درجة مئوية. في حالتنا، أدى تركيب شريحة تجارية في خزانة غير مدفأة إلى إغلاق الناقل في الشتاء. يبلغ فرق السعر بين الإصدارات حوالي 15-20%، لكن التوفير في هذا الأمر غير مقبول بالنسبة للبنية التحتية الحيوية.

عند الشراء، تحقق من توفر شهادات المطابقة. بالنسبة للسوق الروسية، يلزم الحصول على شهادة TR CU (EAC). العديد من الشركات المصنعة الصينية لديها هذه الشهادات لوحداتها، ولكن إذا قمت باستيراد الرقائق بشكل منفصل، فإن مسؤولية التصديق على الجهاز النهائي تقع على عاتقك. التأكد من أن المورد يقدم إقراراً كاملاً بالمطابقة وتقارير الاختبار. سيؤدي ذلك إلى تسريع عملية تقنين منتجك في السوق.

تلعب موثوقية سلسلة التوريد دورًا لا يقل أهمية عن المواصفات الفنية للرقاقة نفسها. هذا هو المكان الذي تأتي فيه تجربة الشركة للإنقاذووهان شينهوا لونج للتكنولوجيا ذ.م.م. باعتبارها موزعًا محترفًا تأسس في عام 2009 في قلب صناعة الإلكترونيات الدقيقة في الصين، الوادي البصري الصيني (ووهان)، تعمل الشركة كحلقة وصل رئيسية بين الشركات المصنعة للدوائر المتكاملة والمستخدمين النهائيين.

على عكس الموردين الرماديين، توفر شركة ووهان شينهونغ تكنولوجيز خدمات لوجستية قانونية وشفافة تمامًا: يتم توفير جميع المنتجات حصريًا من خلال القنوات الرسمية، مما يضمن أصالة المكونات بنسبة 100٪ وعدم وجود خطر تلقي رقائق مُعاد تسويقها (مُجددة). بالإضافة إلى معالجات Loongson، تشتمل محفظة الشركة على مجموعة واسعة من الحلول عالية التقنية للأتمتة الصناعية والاتصالات السلكية واللاسلكية: بدءًا من المحولات التناظرية إلى الرقمية من سلسلة LHA6961 وZJC2000 إلى وحدات الترددات اللاسلكية R-FDM320R069 وأجهزة التحكم في الطاقة.

من الأمور ذات القيمة الخاصة للمهندسين وجود خبراء تطبيقات بدوام كامل (FAEs). يتمتع فريق Wuhan jinhualong Technology بخبرة عميقة في تكامل المكونات الإلكترونية وهو على استعداد لتقديم الدعم الفني في جميع المراحل - بدءًا من اختيار تكوين SoC الأمثل وحتى دعم ما بعد الضمان. يغطي التواجد الجغرافي للشركة المراكز الصناعية الرئيسية، بما في ذلك بلدان رابطة الدول المستقلة، مما يسمح لنا بتقليل أوقات التسليم والاستجابة السريعة لطلبات العملاء. إن التعاون مع مثل هذا الشريك يقلل من مخاطر توقف الإنتاج ويوفر الثقة في جودة كل مكون يتم توفيره.

الأسئلة المتداولة

هل من الممكن تشغيل Windows على Loongson 2؟

لا، لا يوجد إصدار Windows أصلي لبنية LoongArch. توجد محاولات تجريبية للتشغيل من خلال محاكاة x86، لكن الأداء سيكون منخفضًا بشكل غير مقبول لأي استخدام عملي. تم تصميم Loongson 2 للعمل مع Linux (Ubuntu وDebian وFedora وAlt Linux وROSA) والأنظمة الأخرى المشابهة لنظام Unix. إذا كان Windows أمرًا بالغ الأهمية، ففكر في الأنظمة الأساسية x86.

ما هو الأداء الحقيقي لـ Loongson 2K1000 مقارنة بـ Raspberry Pi 4؟

في المهام ذات الخيط الواحد، يكون Loongson 2K1000 مشابهًا أو أقل قليلاً من Raspberry Pi 4 (BCM2711) نظرًا لسرعته المنخفضة على مدار الساعة. ومع ذلك، في أحمال العمل متعددة الخيوط والمكثفة لـ SIMD (LSX)، يمكن أن يؤدي Loongson أداءً أفضل نظرًا لخط أنابيبه الأوسع. الميزة الرئيسية لـ Loongson ليست في ذروة الطاقة، ولكن في وجود واجهات صناعية (CAN، إيثرنت متعددة) ودعم ذاكرة ECC خارج الصندوق، وهو غير موجود في Raspberry Pi.

هل من الصعب نقل تطبيق من x86 إلى Loongson؟

إذا كان تطبيقك مكتوبًا بلغات عالية المستوى (C/C++، وPython، وGo، وJava) ويستخدم مكتبات قياسية، فإن النقل يعني إعادة ترجمة التعليمات البرمجية المصدر على النظام الأساسي الهدف أو التحويل البرمجي المتقاطع. قد تنشأ المشكلات فقط إذا استخدمت إدراجات التجميع x86 (SSE/AVX) أو المكتبات الخاصة التي لا تحتوي على أكواد المصدر. في هذه الحالة، ستحتاج إلى إعادة كتابة أقسام التعليمات البرمجية ذات المستوى المنخفض باستخدام تعليمات LoongArch LSX/LASX.

من أين يمكنك شراء Loongson 2 SoC بكميات كبيرة؟

نحن الموزع الرسمي ونقدم إمدادات معالجات Loongson والوحدات الجاهزة من الشركة المصنعة. نحن نقدم الدعم الفني والمساعدة في اختيار نظائرها والامتثال لجميع متطلبات التشريع الروسي.اتصل بنا اليوملتلقي عرض تجاري واستشارة بشأن توفر المخزون.

تعد بنية Loongson 2 SoC حلاً ناضجًا وموثوقًا لأولئك الذين يبنون مستقبل الأتمتة الصناعية، بغض النظر عن المخاطر الجيوسياسية. إن اختيار النظام الأساسي المناسب اليوم سيضمن استقرار عملك غدًا.