-SoC与嵌入式系统课件

1、提问什么是嵌入式系统？说说SoC与嵌入式系统的关系模拟收音机数字收音机嵌入式系统总体组成传感器/数字处理系统/动作机构嵌入式系统定义嵌入式系统是包含可编程计算机、软硬件协同工作的、执行特定任务的计算机系统应用的角度；软硬件协同，含可编程器件(CPU)；面向特定功能，预先定制好的；嵌入式开发板计算机系统分类通用计算机系统：工作对象为人PCsLaptopsMainframes（主机系统）Servers（服务器）嵌入式计算系统：工作对象为自然世界嵌入式系统的组成CPUMEMORYINPUTOUTPUTBUS典型嵌入式系统硬件组成MPU或MCUDSPAD转换器UARTEthernetJTAGDA转换器

2、USBRTCWDGFLASHROMDMACRAM中断控制器嵌入式系统硬件电路板放大器传感器PLL输出设备Power输入设备嵌入式系统组成一：微处理器高效的执行性能灵活的软件运行能力微小的体积处理器(Processor)MPU (Micro-Processor Unit) :微处理器MCU(Microcontroller Unit):微控制器DSP(Digital Signal Processor):数字信号处理器SoC(System On Chip):系统芯片,片上系统SoPC：基于FPGA的嵌入式系统*CPU：Central Process Unit微处理器(MPU)不含I/O外围器件，提供

3、高性能运算性能Intel80 x86SPARCPowerPCEMPU:Embedded MPU32位嵌入式MPU目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大系列ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 ARM体系结构ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族ARM 11 Thumb家族Cortex:M3,M0,A8,A9MIPS体系结构从1986年推出R2000处理器以来，陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。2019年，MIPS公司发布了MIPS

4、32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。 在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量2019年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器。份额仅次于ARM位居全球第二。在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商龙芯Power PC体系结构 Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IB

5、M以及苹果电脑 SH体系结构SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间 2019年底，SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个

6、市场。在美国，SH系列占有较大的市场份额 嵌入式微控制器(MCU)又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 典型微控制器Motolora 68HC11xx(Freescale)Intel 8051Microchip PICRenesas M16C嵌入式系统与单片机系统区别从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。它们都是专用的计算

7、机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板高端嵌入式系统： SoC嵌入式DSP处理器(DSP) DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。嵌入式DSP处理器(DSP)有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000

8、系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。ADSP目前有已经发展成为ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等几个不同系列的处理器。嵌入式处理器位数分类总线宽度地址，数据处理器处理数据宽度定点数，浮点数寄存器位宽4,8,16,32,64位以处理器的位数来划分4位8位16位32位64位MCUTMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05 Z88096/9768200ARM RISC COREMIPS 32 COREMIPS 64 COREMPU400440408085 6809Z80 6502 68028086 8028680186 Z8000

9、80386 80486 68000/10/20/30/40Pentium II/III不同等级的处理器应用：嵌入式处理器应用产品4位遥控器 相机 防盗器 玩具 简易计量表等8位电视游戏机 空调 传真机 电话录音16位手机 摄象机 录象机 各种多媒体应用32位MODEM 掌上电脑 路由器 数码相机 GPRS 网络家庭64位高级工作站 新型电脑游戏机 各种多媒体应用嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。INPUT/OUTPUT设备嵌入式外围设备根据外围设备的功能可分为以下2类：接口类型：目前存在的所有接口在

10、嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO。I/O设备类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备,以及传感/控制等。嵌入式外围设备根据与主CPU关系可分为：片内设备： RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO等；片外设备：外部芯片，传感器/驱动器、显示器/输入设备嵌入式系统存储器静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FL

11、ASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。嵌入式系统总线AMBA总线：ARM体系总线MIPS总线嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去应用系统电路板将变得很简洁 带处理器/软件的ASICSoC具有的优势 降低耗电量 减少体积丰富系统功能提高速度节省成本SOC设计 SoC 芯片设计中 的IP 模块 SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。 已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中调用这些可以被重复使用的IC 模块就

12、叫做IP 模块 IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有2 种不同形式：软IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core) Intel Penwell SoCIntel Penwell SoC集成电路分类（集成度）数字IC分类ASICApplication Specific Integrated Circuit为专门目的而设计的集成电路体积小功耗低可靠性高性能高保密性增强成本低ROM和RAM都在出厂前经过掩膜MASKASIC设计方法（全定制）人工完成版图设计后流片生产全定制电路的设计从系统设计开始到版图设计结束，这是电子系

13、统的全程设计在晶体管级和版图级后端设计中，通过对晶体管级电路和布局线的优化设计，可以使最后的设计结果速度快、占用芯片面积小、可靠性高，芯片的性能指标一般要高于在PLD上实现的系统 然而，全程设计的投资大、时间长，因此只有那些市场需求量大的IC，才考虑采用全定制方式设计和生产ASIC设计方法（门阵列）IO焊盘块单元行单元布线区ASIC设计方法（门阵列）门海阵列（Sea-of-Gate，简称为SOG）是为了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，将门阵列中的布 线通道去掉， 用基本单元占 据整个阵列分 布区。 ASIC设计(标准单元 )标准单元法设计是一种常用

14、的集成电路设计方法所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件的版图也被EDA工具所调用，进行自动布局和布线。标准单元设计的版图布置 单元库一般包括有下列元件： 小规模逻辑电路中规模逻辑电路各种宏单元模块 IP核 为了便于布局和布线，SSI和MSI标准单元的版图都被设计成矩形状，版图的高度相近或相等，但宽度可以不同 功 能 模 块宏单元宏单元可编程器件(PLD)SPLDPROM:与阵列固定

15、，或阵列可编程，输出不可编程PLA:与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程PAL:与、或阵列可编程，输出不可编程GAL:与、或阵列可编程，输出宏单元可编程CPLD:复杂可编程逻辑器件FPGA：现场可编程门陈列SOPC: System On Programmable Chip组合逻辑实现CPLD vs FPGA基于FPGA的嵌入式系统一般嵌入式系统CPU/DSP为核心硬件硬件固定，软件可灵活配置基于FPGA的嵌入式系统软硬件协同设计、工作硬件可编程SOPC（片上可编程系统）FPGA嵌入式系统分类状态机模式：可以无外设、无总线结构、无实时操作系统(RTOS),低成本VGA、LCD控制单片机模式：包

16、括一定的外设，可以利用实时操作系统和总线结构，中等成本控制，仪表定制嵌入模式：高度集成的外设，实时操作系统和总线结构，高性能网络、无线通信3类RISC处理器为核心PicoBlaze:8位软核，支持汇编，程序驻留FPGA的块RAMMicroBlaze:32位软核，包含32个32位通用寄存器和一个可选的32位移位寄存器，时钟达150MIPSPowerPC：32位PowerPC405硬核，程序级兼容PowerPC的嵌入式架构流行内核：MicroBlaze和PowerPCALtera公司：Nios,NiosIIXilinx公司嵌入式解决方案MicroBlaze体系结构Altera嵌入式FPGASOPC

17、：Nios,NiosIICyclone,Stratix系列均支持NiosII32位软核处理器6级流水线最高266M主频嵌入式系统软件 (1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 软件的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 嵌入式软件的组成硬件层系统软件层应用软件层嵌入式软件的组成嵌入式软件体系结构分类轮转结构带中断的轮转结构实时操作系统结构轮转结构void main()while (true)if (/设备1需要服务)/处理设备1服务if (/设备2需要服务)/处理设备2服务if (/设备n需要服务)/处理设备n服务带中

18、断的轮转结构boolfDevice1 = false;boolfDevice2 = false;boolfDeviceN = false;void interruptvHandleDevice1()fDevice1 = true;void interruptvHandleDevice2()fDevice2 = true;void interruptvHandleDeviceN()fDeviceN = true;带中断的轮转结构void main()while (true)if (fDevice1)fDevice1 = false;/处理设备1数据if (fDevice2)fDevice2 = false;/处理设备2数据if (fDeviceN)fDeviceN = false;/处理设备N数据实时操作系统调度结构void interrupt vHandleDeviceA()/关注I/O设备A/设置信号Xvoid interrupt