嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC 研究内容

嵌入式操作系统及Linux结 课 作 业题目 嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC研究内容系 别 信息工程系专 业 电气工程及其自动学生姓名学 号2012 年 12 月 1 日目录嵌入式处理器介绍 1嵌入式处理器的种类 1嵌入式微处理器 1嵌入式DSP处理器 2嵌入式微控制器 2嵌入式片上系统 3嵌入式片上系统SoC研究内容 3总线架构技术 3IP核可复用技术 4可靠性设计技术 4软硬件协同设计技术 4芯片综时序分析技术 4SoC验证技术 5可测/可调试性设计技术 5低功耗设计技术 5新型电路实现技术 5嵌入式软件移/开发 5嵌入式片上系统SoC分类 6CSoC技术特点 6SoPC技术特点 7ASICSoC技术特点 7嵌入式片上系统SoC技术发展方向 9计算机学科提升SoC技术水平 9SoC推动计算机体系结构发展 9SoC开创了交叉学科发展的新天地 10结束语 11参考文献 11嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC研究内容摘要当前在微电子及其应用领域正在发生一场前所未有的变革这场变革是由片上系统SoCSoC技术是超大规模VDSM（VeryDeepSubmicronIP关键字SoC，集成电路，VDSM1嵌入式处理器介绍称谓。世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括30FPGA16MB，2000MIPS81442嵌入式处理器的种类嵌入式微处理器嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用计算机中的CPU32Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM1等。Arm/StrongArm位。嵌入式DSPDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSPDSP70DSPMPUMPUDSPDSPMPU80CMOSCMOSDSP90更加广阔。最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296SiemensTriCore嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,70208RAM/I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROMMCU8051MCS-251MCS-96/196/296P51XAC166/16768K2MCU、C540、C541，I2C、CAN-Bus、LCDMCU70%AtmelFPGA获得更高的发展。嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SystemOnChip)：SoC追求产品系统最大包容的集成器SOCSOCVHDLSOCSOCPhilipsSmartXASiemensTriCore，MotorolaARM，EchelonMotorolaNeuronSOCSOC辑等应用领域中发挥重要作用。3嵌入式片上系统SoC研究内容SoCCSoC、SoPC、ASICSoCSoCSoCIPSoC/时序分析技术、可测性/可调试性设计技术、低功耗设计技术、新型电路实现技术等，此外还要做操作系统/总线架构技术总线结构及互连技术，直接影响芯片总体性能发挥。对于单一应用领域，可3SoC（包括自主构建总体架构基于核、基于合成等方法，不断推出性能更好、扩展性更强的总线规范，如AXI总线（AMBA、L*BUS（中科院计算所）等。IPIP核一般分为硬核、软核和固核三种，硬核是指经过预先布局且不能由系统设计者修改的IP核，软核通常以HDL语言形式提交，固核由RTL的描述和可综合的网表组成。IP核可复用的研究重点是开发适应多种总线接口的规范和可测试性一体化，以尽量少的外包和测试向量，达到复用目的。IP核应有良好的开发文档和参考手册，包括数据手册、用户使用指南、仿真和重用模型等，而兼容性是重要的因素。可靠性设计技术SoC由多级总线组成，每一总线上含有多个设备核某一设备（IP核）瘫痪了，不致影响整个芯片其他功能发挥。此外随着超深亚软硬件协同设计技术由于市场和设计风险的压力，SoC软硬件协同设计尤为重要。改进软硬件协同说明、协同分析、协同设计、协同模拟和协同验证，可大大减少硬件设计风险和缩短嵌入式软件的开发调试时间。同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中所存在的致命问题，避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。/时序分析技术由于SoC系统复杂度和规模愈来愈大，像多时钟、多电压以及超深亚微米等新课题不断出现，对SoC的综合性研究提出了更高的要求。尤其对时序预算4景知识。与此同时，静态时序分析（STA）日趋复杂、后端动态仿真效率低下，对总体设计人员提出了严峻的挑战。SoCIPIP核与总线接口兼容性验证和系统级验证等三个层次，包括设计概念验证、设计实现验证、设计性能验证、故障模拟、芯片测试等；从（Regression）70%，如何提高验证覆盖率和验证效率是设计验证的永恒话题。/可调试性设计技术DFTSCANBIST、Iddq、JTAG/eJTAG，IPSoC测试架构和测SoC的产品。低功耗设计技术SoC多层次立体角度研究电路实现工艺、输入向量控制技术、多电压技术、功耗管理技术以及软件（算法）新型电路实现技术由于晶体管数急剧增加、芯片尺寸日益变小、密度不断增大、IP核可重用频度提高、低电压、多时钟、高频率、高可测性、新型高难度封装等要求的出现以及新工艺/新设计技术层出不穷，半导体工艺特征尺寸向深亚微米发展，要求SoC设计师不断研究新工艺、新工具，研究关键电路架构、时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。/开发SoCBIOS/开发，要支持多任务，易读易懂，要具有安全性好、健壮性强、代码执行效率高等特点。如对SoC片LinuxBSP54嵌入式片上系统SoC分类SoC产品和技术不断发展，但在SoC分类上业界还未形成主流看法，本文CSoC、SOPCASICSoCSoC模型中。CSoCCSoCASIC（专用化等构成，相对ASICSoCCPU+可重构处理构件效率与灵活性很好结合在一起基于重构确定处理功能在图像处理、模式匹配等方面优于超级计算机根据任务需要可动态重构，提高性价比目前学术界对可动态重构的高效处理件XPP（eXtremeProcessingXPP是在一个以基于某种总线架构的微处理器核为核心的SoC中嵌入可编程逻辑模块，构成可重构的SoC1重构数据处理架构往往由处理阵列单元PEA和I/OXPP的冯.诺依曼指令流模式。由于高度规整化，很容易获得指令级平行性和流水线效率。TriscendCSoC6SoPCSoPC是一种特殊的片上系统，是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在线系统开发中可编程的功能，结合了SoC和FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：IP核RAMIP核资源可供灵活选择足够的片上可编程逻辑资源FPGA编程接口共用或并存可能包含部分可编程模拟电路SoPC结构框图如图2所示。除了上述特点外，还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SoPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析因此必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具而在应对复杂设计方面诸如Xilinx公司的SystemGeneratorforDSP就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。ASICSoCASICSoC低功耗、低成本化等特点，一般具备以下基本特征：CPU核具有规范的总线架构（AMBA）RAM（或片上访存控制器）7I/O设备（包括模拟的）具有可扩展的接口（PCI）具有可在线调试口（eJTAG）具有可测试性电路ASICSoC一般是基于IP核或SoC开发平台的产品，需要专门技术、IPSoC总线架构和嵌入式软件支持（包括BIOS、OS，需要广泛的多功能IP核和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术，以满足客户产品开发的需求。SoCIP发周期和风险。目前SoC总线架构有很多种，如IBM 公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wi、MIPS技术公司的SOC-it和CoreFram等可喜的是国内也有许多自主知识产权的总线架构，如中科院计算所，如图3所示）,C*BUS（苏州国芯）等。每一种总线架构都是为满足其特定应用领域的要求而发展起来的。有些适合低端嵌入式产品，有些适合手持产品有些适合高能性产品各有自己的优势SoC的发展离不开功耗性能成本可测性可靠性、IP核可复用性、平台技术支持性和软硬件协同开发性等方面制约。需要开发者具有强大的计算机体系结构背景知识，才能支持其得到快速发展。85嵌入式片上系统SoC技术发展方向SoC2090CSoCSoPCASICSoCSoC的技术发展提供了强有力的支持。计算机学科提升SoC技术水平（以程序和数据合一为特征）和数据流体系结构（序和数据分离为特征）是计算机的主流体系结构。通用计算机的微小型化，为SoCPCBSoCBIOSSoC设计技术中，也促使SoCPCSoC技术发展尽管与工艺发展和EDA设计手段的提高有很大关系，但其核CPUIP算机专业领域相关。尤其在高端应用领域，如多CPU核集成和异构型集成等系SoC的技术发展。SoCSoC技术发展与市场需求紧密相关。SoC的主要应用领域有计算机、通信、消费类电子、工控、交通运输等。在SoC的销售额中通信类、计算机类和消费类占80%以上，消费类所占比重在不断增长。进一步细分SoC市场，计算机类有图像处理、硬盘驱动、高档打印机、个人助理等；通信类有有线网、无线网、手机、可视设备、通信基站等；消费类有数字电视、DVD、STB、数码相机等；工控类有过程控制/处理、测试/仪表、医疗设备、监控系统等；交通运输类有引擎控制、仪表装置、安全系统等。SoC市场规模的日益扩大，在信息技术和电子产品领域的地位越来越重要。SoCSoCSoCSoCSoC9CPUGUI话、语言同声翻译等。SoC3264RISC等增强型处理器件，同时支持嵌入式RTOS这些都对计算机体系结构提出了更大挑战。SoCSoC随着国内外处理器/IPIPSoCIC产业往深度、广度方向发展。针对工业界的需求SoC设计人员在构令流、指令流和数据流等体系结构方面的深入研究，也会为计算机学科发展做出重大贡献。SoCSoCSoC做更深入的研究。目前的SoC技术发展主要在同种工艺层面上实现，以电子技术为主。但在的能完成特定功能的微系统已经提到议事日程，把微电子和微机械结合的MEMSSoCMEMS也是多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工与技术。PackageCMOSGaAs电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电容、电感