选学第六章SoC原理与技术基础

1、第六章第六章 SoC原理与设计基础原理与设计基础vSoC基本概念基本概念vSoC技术特点技术特点vSoC设计的关键技术设计的关键技术 vSoC发展趋势发展趋势v基于基于FPGA的的SoC应用技术应用技术 片上总线片上总线 嵌入式嵌入式RISC CPU 软件无线电软件无线电 芯片级应用系统芯片级应用系统SoC基本概念基本概念vSoC（System on Chip） 片上系统片上系统 狭义：信息系统核心的芯片集成，将系统关键部件集狭义：信息系统核心的芯片集成，将系统关键部件集成在一块芯片上成在一块芯片上 广义：微小型系统广义：微小型系统 SoC在集成电路在集成电路(IC)向集成系统向集成系统(IS

2、)转变大方向下产生转变大方向下产生 1994年年Motorola的的Flex Core系统系统 1995年年LSILogic公司为公司为Sony公司设计的公司设计的SoCSoC技术特点技术特点v半导体工艺技术的系统集成半导体工艺技术的系统集成 v软件系统和硬件系统的集成软件系统和硬件系统的集成 vSoC具有以下几方面的优势，因而创造其产品价具有以下几方面的优势，因而创造其产品价 值与市场需求：值与市场需求： 降低耗电量降低耗电量 减少体积减少体积 增加系统功能增加系统功能 提高速度提高速度 节省成本节省成本 SoC设计的关键技术设计的关键技术 v总线架构总线架构vIP核复用核复用v软硬件协同设

3、计软硬件协同设计vSoC验证验证v可测性设计可测性设计v低功耗设计低功耗设计v超深亚微米电路实现超深亚微米电路实现v嵌入式软件移植与开发嵌入式软件移植与开发SoC发展趋势发展趋势vSoC芯片的规模一般远大于普通的芯片的规模一般远大于普通的ASIC ；vSoC仿真与验证最复杂、最耗时，先进的设计与仿真与验证最复杂、最耗时，先进的设计与仿真验证方法成为仿真验证方法成为SoC设计成功的关键；设计成功的关键； v除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起；其他所有的系统电路全部集成在一起； v高度集成化、固件化；高度集成化、固件

4、化；v基于基于SoC开发平台，最大程度系统重用。开发平台，最大程度系统重用。 基于基于FPGA的的SoC应用技术应用技术v系统功能集成是系统功能集成是SoC的核心技术的核心技术 v固件集成是固件集成是SoC的基础设计思想的基础设计思想 v嵌入式系统是嵌入式系统是SoC的基本结构的基本结构 vIP是是SoC的设计基础的设计基础 片上总线片上总线vIP核互连一般采用总线的方式，这种总线称为片核互连一般采用总线的方式，这种总线称为片上总线（上总线（On-Chip Bus，OCB） ARM公司的公司的AMBA总线总线 Altera公司公司Avalon总线总线 IBM 公司的公司的CoreConnect

5、 总线总线 OpenCore组织的组织的Wishbone总线总线 OpenCore组织的组织的OPC总线总线片上总线片上总线vAMBA总线总线 Advanced Microcontroller Bus Architecture ARM公司设计的用于高性能嵌入式系统的总线标准，公司设计的用于高性能嵌入式系统的总线标准，独立于处理器和制造工艺技术独立于处理器和制造工艺技术 片上总线片上总线vAMBA总线总线 AHB (Advanced High Performance Bus) ASB (Advanced System Bus) APB (Advanced Perpheral Bus) 片上总线片

6、上总线vAVALON 总线总线 Altera在推出业内第一个软核在推出业内第一个软核Nios时开发的片上总线时开发的片上总线 一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序行连接的端口和通信的时序 片上总线片上总线vCoreConnect总线总线 IBM公司设计的一种公司设计的一种SoC总线协议，能够使处理器、内总线协议，能够使处理器、内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活，从而提高系统性能。复用更加灵活，从而提高系统性能。片上总线片上总线vCoreConn

7、ect总线总线 处理器局部总线处理器局部总线PLB (Proeessor Local Bus)：高速的高速的CPU核、高速存储器控制器、仲裁器、高速的核、高速存储器控制器、仲裁器、高速的DMA控控制器等高性能、宽带宽的设备都连接在制器等高性能、宽带宽的设备都连接在PLB上。上。 片内外设总线片内外设总线OPB (On-Chip Peripheral Bus)：低性低性能的设备都连接在能的设备都连接在OPB总线上总线上 。 器件控制寄存器总线器件控制寄存器总线DCR (Device Control Register)：配置配置PLB和和OPB主从设备中的状态寄存器和控制寄主从设备中的状态寄存器和

8、控制寄存器存器 。片上总线片上总线vWishbone总线总线 Silicore公司提出，现在已被移交给公司提出，现在已被移交给OpenCores组织组织维护维护 结构十分简单，它仅仅定义了一条高速总线结构十分简单，它仅仅定义了一条高速总线 用户可以按需要自定义用户可以按需要自定义Wishbone标准，如字节对齐方标准，如字节对齐方式、标志位式、标志位 等等 片上总线片上总线vWishbone总线互连方式总线互连方式 点到点（点到点（point-to-point）：）：用于两用于两IP核直接互连；核直接互连； 数据流（数据流（data flow）：）：用于多个串行用于多个串行IP核之间的数据核之

9、间的数据并发传输；并发传输； 共享总线（共享总线（shared bus）：）：多个多个IP核共享一条总线；核共享一条总线； 交叉开关（交叉开关（crossbar switch）：）：同时连接多个主从部同时连接多个主从部件，提高系统吞吐量。件，提高系统吞吐量。片上总线片上总线vWishbone总线总线 WISHBONE System-on-Chip (SoC) Interconnection Architecture for Portable IP Cores片上总线片上总线v典型主从设备连接典型主从设备连接v单个读周期单个读周期v单个写周期单个写周期片上总线片上总线vBIG ENDIAN片上总

10、线片上总线vLITTLE ENDIAN嵌入式嵌入式RISC CPUvAltera Nois系列系列vXilinx PowerPC（硬核）（硬核） PicoBlaze（8位微处理器软核）位微处理器软核） MicroBlaze（32位微处理器软核，支持位微处理器软核，支持CoreConnect总线的标准外设集合）总线的标准外设集合） 基于基于EDK开发：开发：EDK中提供的中提供的IP核均有相应的设备驱核均有相应的设备驱动和应用接口，只需利用相应函数库，就可以编写自动和应用接口，只需利用相应函数库，就可以编写自己的应用软件和算法程序；对于用户自己开发的己的应用软件和算法程序；对于用户自己开发的IP

11、核，核，需要自己编写相应的驱动和接口函数。需要自己编写相应的驱动和接口函数。 嵌入式嵌入式RISC CPUvGaisler Leon系列（系列（Sparc V8架构，开源，完整的工具链）架构，开源，完整的工具链）vSun OpenSparc（Sparc V9架构，开源）架构，开源）vOpencores OpenRisc ZPU（最小的（最小的32位位RISC软核）软核） 几十种几十种CPU软核软核软件无线电软件无线电v软件无线电（软件无线电（Software Radio） 在开放公共硬件平台上利用可编程的软件方法实现所在开放公共硬件平台上利用可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。需要的无线电

12、系统。 基本思想：将宽带模数变换器基本思想：将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线（模拟信号的数字化过程尽可尽可能地靠近射频天线（模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线能地接近天线 ） 通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码/解码、解码、运算处理和变换。运算处理和变换。 通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择,如调幅、如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频。调频、单边带、数据、跳频和扩频。 通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能终端功能 。 软件无线电软件无线电v软件无线电软件无线电 AD - DSP - DA AD - DSP + FPGA -DA AD - FPGA -DA 编程最终将向编程最终将向FPGA逻辑设计过渡，以嵌入式逻辑设计过渡，以嵌入式SoC系统系统为核心。为核心。芯片级应用系统芯片级应用系统vFPGA的两个走向的两个走向 高度并行专用电路设计高度并行专用电路设计 追求高速度追求高速度 高度的电路优化高度的电路优化 灵活的灵活的SoC系统设计系统设计 追求灵