-SoC與嵌入式系統(tǒng)課件

1、提問什么是嵌入式系統(tǒng)？說說SoC與嵌入式系統(tǒng)的關系模擬收音機數(shù)字收音機嵌入式系統(tǒng)總體組成傳感器/數(shù)字處理系統(tǒng)/動作機構嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)是包含可編程計算機、軟硬件協(xié)同工作的、執(zhí)行特定任務的計算機系統(tǒng)應用的角度；軟硬件協(xié)同，含可編程器件(CPU)；面向特定功能，預先定制好的；嵌入式開發(fā)板計算機系統(tǒng)分類通用計算機系統(tǒng)：工作對象為人PCsLaptopsMainframes（主機系統(tǒng)）Servers（服務器）嵌入式計算系統(tǒng)：工作對象為自然世界嵌入式系統(tǒng)的組成CPUMEMORYINPUTOUTPUTBUS典型嵌入式系統(tǒng)硬件組成MPU或MCUDSPAD轉(zhuǎn)換器UARTEthernetJTAGDA轉(zhuǎn)換器

2、USBRTCWDGFLASHROMDMACRAM中斷控制器嵌入式系統(tǒng)硬件電路板放大器傳感器PLL輸出設備Power輸入設備嵌入式系統(tǒng)組成一：微處理器高效的執(zhí)行性能靈活的軟件運行能力微小的體積處理器(Processor)MPU (Micro-Processor Unit) :微處理器MCU(Microcontroller Unit):微控制器DSP(Digital Signal Processor):數(shù)字信號處理器SoC(System On Chip):系統(tǒng)芯片,片上系統(tǒng)SoPC：基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)*CPU：Central Process Unit微處理器(MPU)不含I/O外圍器件，提供

3、高性能運算性能Intel80 x86SPARCPowerPCEMPU:Embedded MPU32位嵌入式MPU目前嵌入式處理器按其體系結構的不同可分為五大系列ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 ARM體系結構ARM 公司的ARM RISC處理器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體系結構從1986年推出R2000處理器以來，陸續(xù)推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)。2019年，MIPS公司發(fā)布了MIPS

4、32和MIPS64體系結構標準，集成了原來所有的MIPS指令集，并且增加了許多更強大的功能。此后MIPS公司又陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位和64位處理器內(nèi)核。 在嵌入式處理器市場中，基于MIPS內(nèi)核的處理器占據(jù)了相當大的數(shù)量2019年，一共付運了8700萬片采用MIPS內(nèi)核的嵌入式處理器。份額僅次于ARM位居全球第二。在目前快速增長的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD錄像機等領域內(nèi)，MIPS的市場份額位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等眾多廠商龍芯Power PC體系結構 Motorola半導體（現(xiàn)Freescale半導體）聯(lián)合IB

5、M以及蘋果電腦 SH體系結構SH(SuperH)系列是由前日立半導體公司（現(xiàn)Renesas公司）推出的嵌入式處理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一個字長，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復雜的乘加指令也僅需2個時鐘周期 為了克服內(nèi)存訪問的瓶頸，SH的CPU簡化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲)結構，并且在片內(nèi)設置高速緩存，以減少訪問內(nèi)存的時間 2019年底，SH系列累計生產(chǎn)達1.18億片。SH系列投入市場后，用量最多的是工業(yè)，占總量的36%，第二位是辦公自動化，占總量的26%；第三位是消費領域；再其次的是通信領域。此外，汽車導航、定位、控制系統(tǒng)，也是SH系列不小的一個

6、市場。在美國，SH系列占有較大的市場份額 嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從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嵌入式系統(tǒng)與單片機系統(tǒng)區(qū)別從歷史的角度來看，這兩個名詞術語沒有本質(zhì)的區(qū)別。它們都是專用的計算

7、機系統(tǒng)，與通用型的微機系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。現(xiàn)在的一般說法：嵌入式系統(tǒng)在含有操作系統(tǒng)的軟件的控制下運行，而單片機系統(tǒng)不含操作系統(tǒng)，只在控制程序下運行。低端嵌入式系統(tǒng)：單片機+印刷線路板高端嵌入式系統(tǒng)： SoC嵌入式DSP處理器(DSP) DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域。嵌入式DSP處理器(DSP)有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000

8、系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。ADSP目前有已經(jīng)發(fā)展成為ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等幾個不同系列的處理器。嵌入式處理器位數(shù)分類總線寬度地址，數(shù)據(jù)處理器處理數(shù)據(jù)寬度定點數(shù)，浮點數(shù)寄存器位寬4,8,16,32,64位以處理器的位數(shù)來劃分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不同等級的處理器應用：嵌入式處理器應用產(chǎn)品4位遙控器 相機 防盜器 玩具 簡易計量表等8位電視游戲機 空調(diào) 傳真機 電話錄音16位手機 攝象機 錄象機 各種多媒體應用32位MODEM 掌上電腦 路由器 數(shù)碼相機 GPRS 網(wǎng)絡家庭64位高級工作站 新型電腦游戲機 各種多媒體應用嵌入式外圍設備嵌入式外圍設備是指，在嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲、通信、保護、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。INPUT/OUTPUT設備嵌入式外圍設備根據(jù)外圍設備的功能可分為以下2類：接口類型：目前存在的所有接口在

10、嵌入式系統(tǒng)中都有其廣泛的應用，但是以下幾種接口的應用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設備接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO。I/O設備類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設備,以及傳感/控制等。嵌入式外圍設備根據(jù)與主CPU關系可分為：片內(nèi)設備： RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設備接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO等；片外設備：外部芯片，傳感器/驅(qū)動器、顯示器/輸入設備嵌入式系統(tǒng)存儲器靜態(tài)易失型存儲器(RAM/SRAM)，動態(tài)存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FL

11、ASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等有點在嵌入式領域得到廣泛的應用。嵌入式系統(tǒng)總線AMBA總線：ARM體系總線MIPS總線嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng) 整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔 帶處理器/軟件的ASICSoC具有的優(yōu)勢 降低耗電量 減少體積豐富系統(tǒng)功能提高速度節(jié)省成本SOC設計 SoC 芯片設計中 的IP 模塊 SoC 的設計基礎是IP（Intellectual Property）復用技術。 已有的IC 電路以模塊的形式在SoC 芯片設計中調(diào)用這些可以被重復使用的IC 模塊就

12、叫做IP 模塊 IP 模塊是一種預先設計好，已經(jīng)過驗證，具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有2 種不同形式：軟IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core) Intel Penwell SoCIntel Penwell SoC集成電路分類（集成度）數(shù)字IC分類ASICApplication Specific Integrated Circuit為專門目的而設計的集成電路體積小功耗低可靠性高性能高保密性增強成本低ROM和RAM都在出廠前經(jīng)過掩膜MASKASIC設計方法（全定制）人工完成版圖設計后流片生產(chǎn)全定制電路的設計從系統(tǒng)設計開始到版圖設計結束，這是電子系

13、統(tǒng)的全程設計在晶體管級和版圖級后端設計中，通過對晶體管級電路和布局線的優(yōu)化設計，可以使最后的設計結果速度快、占用芯片面積小、可靠性高，芯片的性能指標一般要高于在PLD上實現(xiàn)的系統(tǒng) 然而，全程設計的投資大、時間長，因此只有那些市場需求量大的IC，才考慮采用全定制方式設計和生產(chǎn)ASIC設計方法（門陣列）IO焊盤塊單元行單元布線區(qū)ASIC設計方法（門陣列）門海陣列（Sea-of-Gate，簡稱為SOG）是為了克服門陣列芯片面積利用率低的缺點而提出的一種陣列結構。為了充分利用芯片的面積，將門陣列中的布 線通道去掉， 用基本單元占 據(jù)整個陣列分 布區(qū)。 ASIC設計(標準單元 )標準單元法設計是一種常用

14、的集成電路設計方法所謂標準單元，是指預先設計完畢并存放在單元庫中的元件，這些元件在邏輯功能層次和版圖層次都經(jīng)過優(yōu)化和標準化設計，標準單元的邏輯符號及電學特性存入邏輯庫中，版圖則存入版圖庫標準單元設計，就是在設計中用圖形或硬件描述語言調(diào)用庫元件，在布局布線階段，這些庫元件的版圖也被EDA工具所調(diào)用，進行自動布局和布線。標準單元設計的版圖布置 單元庫一般包括有下列元件： 小規(guī)模邏輯電路中規(guī)模邏輯電路各種宏單元模塊 IP核 為了便于布局和布線，SSI和MSI標準單元的版圖都被設計成矩形狀，版圖的高度相近或相等，但寬度可以不同 功 能 模 塊宏單元宏單元可編程器件(PLD)SPLDPROM:與陣列固定

15、，或陣列可編程，輸出不可編程PLA:與陣列可編程，或陣列固定，輸出不可編程PAL:與、或陣列可編程，輸出不可編程GAL:與、或陣列可編程，輸出宏單元可編程CPLD:復雜可編程邏輯器件FPGA：現(xiàn)場可編程門陳列SOPC: System On Programmable Chip組合邏輯實現(xiàn)CPLD vs FPGA基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)一般嵌入式系統(tǒng)CPU/DSP為核心硬件硬件固定，軟件可靈活配置基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計、工作硬件可編程SOPC（片上可編程系統(tǒng)）FPGA嵌入式系統(tǒng)分類狀態(tài)機模式：可以無外設、無總線結構、無實時操作系統(tǒng)(RTOS),低成本VGA、LCD控制單片機模式：包

16、括一定的外設，可以利用實時操作系統(tǒng)和總線結構，中等成本控制，儀表定制嵌入模式：高度集成的外設，實時操作系統(tǒng)和總線結構，高性能網(wǎng)絡、無線通信3類RISC處理器為核心PicoBlaze:8位軟核，支持匯編，程序駐留FPGA的塊RAMMicroBlaze:32位軟核，包含32個32位通用寄存器和一個可選的32位移位寄存器，時鐘達150MIPSPowerPC：32位PowerPC405硬核，程序級兼容PowerPC的嵌入式架構流行內(nèi)核：MicroBlaze和PowerPCALtera公司：Nios,NiosIIXilinx公司嵌入式解決方案MicroBlaze體系結構Altera嵌入式FPGASOPC

17、：Nios,NiosIICyclone,Stratix系列均支持NiosII32位軟核處理器6級流水線最高266M主頻嵌入式系統(tǒng)軟件 (1) 軟件要求固態(tài)化存儲 (2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 (3) 軟件的高實時性是基本要求 (4) 多任務操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標準化道路的基礎 嵌入式軟件的組成硬件層系統(tǒng)軟件層應用軟件層嵌入式軟件的組成嵌入式軟件體系結構分類輪轉(zhuǎn)結構帶中斷的輪轉(zhuǎn)結構實時操作系統(tǒng)結構輪轉(zhuǎn)結構void main()while (true)if (/設備1需要服務)/處理設備1服務if (/設備2需要服務)/處理設備2服務if (/設備n需要服務)/處理設備n服務帶中

18、斷的輪轉(zhuǎn)結構boolfDevice1 = false;boolfDevice2 = false;boolfDeviceN = false;void interruptvHandleDevice1()fDevice1 = true;void interruptvHandleDevice2()fDevice2 = true;void interruptvHandleDeviceN()fDeviceN = true;帶中斷的輪轉(zhuǎn)結構void main()while (true)if (fDevice1)fDevice1 = false;/處理設備1數(shù)據(jù)if (fDevice2)fDevice2 = false;/處理設備2數(shù)據(jù)if (fDeviceN)fDeviceN = false;/處理設備N數(shù)據(jù)實時操作系統(tǒng)調(diào)度結構void interrupt vHandleDeviceA()/關注I/O設備A/設置信號Xvoid interrupt