一種基于瑞芯微RK3566平臺的云電腦設計方案

0   引言

云電腦是一種整體服務方案，包括云端資源、傳輸協議和云終端。用開放式云終端通過傳輸協議，把桌面、應用、硬件等資源以按需服務、彈性分配的服務模式提供給用戶。用戶無需考慮構建復雜的IT，就可實現單機多用戶。IT 行業在過去的幾十年里得到了迅猛發展，但同時也帶來一系列負面影響，包括高昂的成本、緩慢的響應速度以及缺乏一體化管理的基礎架構。云電腦是一種全新的IT 服務，也稱之為云電腦服務。與傳統電腦相比，云電腦沒有CPU、內存和硬盤等硬件，這些硬件全部匯集在云端的數據中心里。用戶只需一個小巧的終端設備，在任何有網絡的地方接入網絡，連接鍵盤、鼠標和顯示器，就可以訪問個人的桌面、數據和各種應用，一切與使用普通個人電腦沒有區別。簡而言之，傳統電腦依靠主機運行，而云電腦設備是通過云端運行。

和傳統計算機相比，云電腦的部署更加簡單、快捷、便于集中管控和維護，降低了人力物力成本。由于對本地終端硬件要求較低，云電腦在使用、維護和管理上較傳統電腦具備很多優點。例如：升級系統、修補漏洞都在云端集中進行，不必個人操作；在云終端上，病毒無任何附著物，在服務器端則采用多種安全機制，比傳統電腦更安全；同時，個人數據存儲在云端，有多種機制進行備份，個人數據不會丟失；云電腦所有應用、數據、以及各種接口都可統一管理和控制，從而保證企業數據不會流失；此外，云終端由于功耗低，設計上采用較為封閉的外殼，使用壽命要長很多。在教學、科研、企業管理方面都有獨特優勢。另外現階段的游戲隨著制作越來越精良，對傳統PC硬件CPU/GPU的要求也越來越高，云電腦的一系列優勢也可極大降低游戲門檻，從而在云游戲場景也將具備廣闊的市場前景。

1   云電腦終端一般基本性能要求

1.1 面向辦公終端

1.2 面向營業廳、軟件開發終端

以上是某運營商對于云電腦終端的硬件需求。本文以面向辦公終端、在線教育、在線游戲等場景為出發點，經過綜合對比海思、MTK、AMLOGIC、瑞芯微等多家平臺方案，最終以瑞芯微RK3566平臺做平臺支撐，在滿足上述1.1 規格需求的基礎上預留出部分功能需求，形成的板卡規格如下：

2   RK3566云電腦板卡方案設計

2.1 方案系統架構

本方案設計中，關鍵電路由小系統核心、實時時鐘、網絡傳輸、LCD 顯示部分，USB 外設接口等部分組成。系統框圖如下圖1 所示。在信號輸入部分，由于芯片內部沒有集成PHY，網絡信號MDI/MDIX 經PHY 芯片轉換成RGMII 信號送入主芯片處理，USB 信號因兼容設計較多外設，部分外設USB 信號經過HUB 后送入主芯片，包括TYPE C 信號以及移動硬盤、鼠標、鍵盤等USB 外設。在信號輸出部分，有HDMI OUT 接口，預留兼容EDP 屏接口，另外RK3566 本身不支持點LVDS屏，所以需要一顆轉換芯片將MIPI DSI 信號轉換為LVDS 信號輸出。因為云電腦需要實現遠程控制，因此設計實時時鐘電路用于遠程控制系統定時開關機功能，同時也可在網絡連接異常時確保系統時間正常顯示。在網絡傳輸部分，則由2.4 G/5 G 雙頻Wi-Fi 以及千兆有線網絡組成，確保用戶在無線/ 有線環境下均可實現云端辦公、教育、娛樂、游戲等功能。針對小系統核心、實時時鐘、網絡傳輸、LCD 顯示在下文詳細闡述。

圖1 系統框圖

經過板卡設計，形成產品形態如下圖2 所示，除上述關鍵電路以外，還預留較多功能以便后續擴展使用，例如MIPI CSI 接口以便用于后續整機內置MIPI 攝像頭需求。

圖2 板卡基本產品形態

2.2 核心系統方案設計

云電腦平臺方案以RK3566 為核心， 搭配外置LPDDR4 以及EMMC5.1。采用全新獨立JPEG 解碼處理器，高效并發處理多小圖解析，有十分強大的視頻編解碼能力， 支持4K H.264/H.265/VP9 等多種格式高清解碼，編碼支持1080 像素，60fps 的H.264 及H.265 格式編碼，支持動態碼率、幀率、分辨率調節等功能。RK3566 嵌入式3DGPU 完全兼容OpenGL ES1.1/2.0/3.2、Open CL 2.0和Vulkan1.1。在信號處理流程上，除了支持硬件外設外，云電腦的核心內容主要是要處理云端數據，因此在核心系統方案中，針對云端數據處理流程如圖3 所示，其中圖模式是云電腦圖像變化頻率較低時使用的模式，整個云桌面是1 張大的bitmap，每當圖像有變化的時候只把變化區域的數據以RGBA 的格式傳到客戶端，然后客戶端對應更新大圖中發生變化區域的數據。流模式是云桌面內圖像變化頻率較高時使用的模式，這種模式下是把整個桌面圖像用h264 協議編碼后傳到客戶端，然后客戶端用的media codec 解碼并渲染到Surface 上：

圖3 云電腦核心數據處理流程

2.3 實時時鐘電路設計

實時時鐘電路的作用主要有時間記憶以及定時開關機等作用，一般只需要整機首次開機設置1 次即可，如2.1 描述，云電腦需要實現遠程控制，因此設計實時時鐘電路用于遠程控制系統定時開關機功能，同時也可在網絡連接異常時確保系統時間正常顯示。常用的實時時鐘芯片為H8563T 系列等，工作頻率為32.768 kHz，業內通用做法是采用CR2032 電池，時鐘芯片長期需要消耗電流，如果單獨只采用CR2032 給時鐘芯片供電，則會導致電池電量在3~4 年即要更換電池，本方案采用電池/ 板卡DC 供電的雙供電系統，可極大的提升電池使用年限。如圖4 所示，其中紐扣電池接口采用外掛電池形式，方便后續用戶更換。

2.4 網絡傳輸電路設計

在云電腦應用場景，高速、高穩定性是用戶體驗的最佳保障，因此本方案設計采用千兆以太網+2.4 G/5 G雙頻Wi-Fi 雙網絡連接方案。下面針對兩部分分別闡述。

千兆網是指有線網絡達到10 M/100 M/1 000 Mb/s自適應以太網， 因RK3566 并未集成PHY 芯片， 因此在實現千兆網通訊時硬件有兩種方案，一種是采用USB 網卡芯片， 即將MDI/MDIX 信號通過USB網卡芯片轉換為USB3.0 信號，該方案需要占用一路USB3.0 接口。另外一個方案是采用RGMII 接口，將有線MDI/MDIX 信號通過RGMII 網卡芯片轉換為吉比特介質獨立接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）。RGMII 均采用4 位數據接口，工作時鐘125 MHz，并且在上升沿和下降沿同時傳輸數據，因此傳輸速率可達1 Gbit/s。本方案采用REALTEKRTL8211F 來實現千兆以太網的信號傳輸。下圖5 為典型的RGMII 應用框圖。

圖5 RGMII典型應用框圖

考慮到用戶使用場景的復雜性，本方案采用2.4 G/5 G 雙頻Wi-Fi 模組。Wi-Fi 一詞是無線保真度（Wireless Fidelity）的簡稱。位于美國德克薩斯州的國際WiFi 聯盟負責Wi-Fi 的認證和商標授權工作，其中Wi-Fi802.11n協議標準對應Wi-Fi4，802.11ac 對應為Wi-Fi5，802.11ax 對應為Wi-Fi6。Wi-Fi4、Wi-Fi5、Wi-Fi6都是Wi-Fi 信號國際技術標準，是一種無線局域網技術，最顯著的區別就是吞吐速率的區別，如圖6 所示，其他的區別在這里不做贅述。

圖6 不同Wi-Fi標準吞吐速率差異

設計之初為了避免不同整機單獨要做SRRC 認證，減少認證費用以及周期，優先考慮藍牙WiFi USB 集成模組，但是因為整機需求藍牙通話功能，有別于音樂播放音頻傳輸，藍牙實時通話音頻傳輸在硬件通路上是需要走PCM 通路，現有的USB 模組暫時無法實現該功能，因此最終選取SDIO 板載藍牙Wi-Fi5 模組，電路兼容RTL8821CS 以及AP6256 等，同時考慮未來進一步提速需求，板卡兼容板載Wi-Fi6 模組封裝。

2.5 LCD顯示方案設計

在小尺寸屏市場，屏接口主要有RGB/MIPI DSI/EDP/LVDS 四種。簡要定義如下：RGB 接口是基于三原色數據信號，實現CPU 與LCD 之間的數據交互。液晶中所用的MIPI 接口，其專業名稱叫DSI，全稱Display Serial Interface。顧名思義，該接口是指用于顯示模塊的1 個串行接口，基于MIPI 協議而產生。eDP（Embedded，嵌入式Display Port），它是一種基于Display Port 架構和協議的一種內部數字接口，LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低電壓差分信號，是一種低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射的差分信號技術。不同接口的工作原理不同，對應的應用場景也不盡相同。在本方案的云電腦場景，所用到的LCD 屏尺寸從18.5~27 英寸不等，該尺寸段主要以LVDS 接口為主，分辨率為典型的1 080 像素。RK3566 平臺方案本身無LVDS 信號輸出，只有MIPI DSI 以及EDP 接口。為了實現LVDS點屏需求，需要通過MIPI DSI 或者EDP 接口轉化為LVDS 信號輸出。為了最大實現板卡兼容，選擇保留EDP 屏接口，通過轉換芯片將MIPI DSI 轉化為LVDS信號輸出。LVDS 眼圖實測如圖7 所示。

圖7 LVDS實測眼圖

3   結束語

本文簡單介紹了云電腦的工作原理以及硬件規格參數，詳細闡述了如何通過RK3566 平臺開發來實現云電腦場景需求，對后續云電腦平臺開發具備一定借鑒意義。云電腦作為一種新型產品形態，因其安全、便捷，用戶只要有賬號，即可在任意場景下登陸，在未來辦公、教育、云游戲等諸多場景將具備極為廣闊的市場前景。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年2月期）