嵌入式處理器的種類及其片上系統(tǒng)SoC 研究內(nèi)容

嵌入式操作系統(tǒng)及Linux結(jié) 課 作 業(yè)題目 嵌入式處理器的種類及其片上系統(tǒng)SoC研究內(nèi)容系 別 信息工程系專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)2012 年 12 月 1 日目錄嵌入式處理器介紹 1嵌入式處理器的種類 1嵌入式微處理器 1嵌入式DSP處理器 2嵌入式微控制器 2嵌入式片上系統(tǒng) 3嵌入式片上系統(tǒng)SoC研究內(nèi)容 3總線架構(gòu)技術(shù) 3IP核可復(fù)用技術(shù) 4可靠性設(shè)計(jì)技術(shù) 4軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù) 4芯片綜時(shí)序分析技術(shù) 4SoC驗(yàn)證技術(shù) 5可測/可調(diào)試性設(shè)計(jì)技術(shù) 5低功耗設(shè)計(jì)技術(shù) 5新型電路實(shí)現(xiàn)技術(shù) 5嵌入式軟件移/開發(fā) 5嵌入式片上系統(tǒng)SoC分類 6CSoC技術(shù)特點(diǎn) 6SoPC技術(shù)特點(diǎn) 7ASICSoC技術(shù)特點(diǎn) 7嵌入式片上系統(tǒng)SoC技術(shù)發(fā)展方向 9計(jì)算機(jī)學(xué)科提升SoC技術(shù)水平 9SoC推動(dòng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展 9SoC開創(chuàng)了交叉學(xué)科發(fā)展的新天地 10結(jié)束語 11參考文獻(xiàn) 11嵌入式處理器的種類及其片上系統(tǒng)SoC研究內(nèi)容摘要當(dāng)前在微電子及其應(yīng)用領(lǐng)域正在發(fā)生一場前所未有的變革這場變革是由片上系統(tǒng)SoCSoC技術(shù)是超大規(guī)模VDSM（VeryDeepSubmicronIP關(guān)鍵字SoC，集成電路，VDSM1嵌入式處理器介紹稱謂。世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括30FPGA16MB，2000MIPS81442嵌入式處理器的種類嵌入式微處理器嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU32Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM1等。Arm/StrongArm位。嵌入式DSPDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSPDSP70DSPMPUMPUDSPDSPMPU80CMOSCMOSDSP90更加廣闊。最為廣泛應(yīng)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、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROMMCU8051MCS-251MCS-96/196/296P51XAC166/16768K2MCU、C540、C541，I2C、CAN-Bus、LCDMCU70%AtmelFPGA獲得更高的發(fā)展。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)：SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器SOCSOCVHDLSOCSOCPhilipsSmartXASiemensTriCore，MotorolaARM，EchelonMotorolaNeuronSOCSOC輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。3嵌入式片上系統(tǒng)SoC研究內(nèi)容SoCCSoC、SoPC、ASICSoCSoCSoCIPSoC/時(shí)序分析技術(shù)、可測性/可調(diào)試性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、新型電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等，此外還要做操作系統(tǒng)/總線架構(gòu)技術(shù)總線結(jié)構(gòu)及互連技術(shù)，直接影響芯片總體性能發(fā)揮。對于單一應(yīng)用領(lǐng)域，可3SoC（包括自主構(gòu)建總體架構(gòu)基于核、基于合成等方法，不斷推出性能更好、擴(kuò)展性更強(qiáng)的總線規(guī)范，如AXI總線（AMBA、L*BUS（中科院計(jì)算所）等。IPIP核一般分為硬核、軟核和固核三種，硬核是指經(jīng)過預(yù)先布局且不能由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者修改的IP核，軟核通常以HDL語言形式提交，固核由RTL的描述和可綜合的網(wǎng)表組成。IP核可復(fù)用的研究重點(diǎn)是開發(fā)適應(yīng)多種總線接口的規(guī)范和可測試性一體化，以盡量少的外包和測試向量，達(dá)到復(fù)用目的。IP核應(yīng)有良好的開發(fā)文檔和參考手冊，包括數(shù)據(jù)手冊、用戶使用指南、仿真和重用模型等，而兼容性是重要的因素?？煽啃栽O(shè)計(jì)技術(shù)SoC由多級(jí)總線組成，每一總線上含有多個(gè)設(shè)備核某一設(shè)備（IP核）癱瘓了，不致影響整個(gè)芯片其他功能發(fā)揮。此外隨著超深亞軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)由于市場和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的壓力，SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)尤為重要。改進(jìn)軟硬件協(xié)同說明、協(xié)同分析、協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同模擬和協(xié)同驗(yàn)證，可大大減少硬件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和縮短嵌入式軟件的開發(fā)調(diào)試時(shí)間。同時(shí)在協(xié)同驗(yàn)證環(huán)境中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟硬件中所存在的致命問題，避免在最后集成測試階段重新進(jìn)行軟硬件的調(diào)整。/時(shí)序分析技術(shù)由于SoC系統(tǒng)復(fù)雜度和規(guī)模愈來愈大，像多時(shí)鐘、多電壓以及超深亞微米等新課題不斷出現(xiàn)，對SoC的綜合性研究提出了更高的要求。尤其對時(shí)序預(yù)算4景知識(shí)。與此同時(shí)，靜態(tài)時(shí)序分析（STA）日趨復(fù)雜、后端動(dòng)態(tài)仿真效率低下，對總體設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。SoCIPIP核與總線接口兼容性驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證等三個(gè)層次，包括設(shè)計(jì)概念驗(yàn)證、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)性能驗(yàn)證、故障模擬、芯片測試等；從（Regression）70%，如何提高驗(yàn)證覆蓋率和驗(yàn)證效率是設(shè)計(jì)驗(yàn)證的永恒話題。/可調(diào)試性設(shè)計(jì)技術(shù)DFTSCANBIST、Iddq、JTAG/eJTAG，IPSoC測試架構(gòu)和測SoC的產(chǎn)品。低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)SoC多層次立體角度研究電路實(shí)現(xiàn)工藝、輸入向量控制技術(shù)、多電壓技術(shù)、功耗管理技術(shù)以及軟件（算法）新型電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)由于晶體管數(shù)急劇增加、芯片尺寸日益變小、密度不斷增大、IP核可重用頻度提高、低電壓、多時(shí)鐘、高頻率、高可測性、新型高難度封裝等要求的出現(xiàn)以及新工藝/新設(shè)計(jì)技術(shù)層出不窮，半導(dǎo)體工藝特征尺寸向深亞微米發(fā)展，要求SoC設(shè)計(jì)師不斷研究新工藝、新工具，研究關(guān)鍵電路架構(gòu)、時(shí)序收斂性、信號(hào)完整性、天線效應(yīng)等問題。/開發(fā)SoCBIOS/開發(fā)，要支持多任務(wù)，易讀易懂，要具有安全性好、健壯性強(qiáng)、代碼執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。如對SoC片LinuxBSP54嵌入式片上系統(tǒng)SoC分類SoC產(chǎn)品和技術(shù)不斷發(fā)展，但在SoC分類上業(yè)界還未形成主流看法，本文CSoC、SOPCASICSoCSoC模型中。CSoCCSoCASIC（專用化等構(gòu)成，相對ASICSoCCPU+可重構(gòu)處理構(gòu)件效率與靈活性很好結(jié)合在一起基于重構(gòu)確定處理功能在圖像處理、模式匹配等方面優(yōu)于超級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)需要可動(dòng)態(tài)重構(gòu)，提高性價(jià)比目前學(xué)術(shù)界對可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的高效處理件XPP（eXtremeProcessingXPP是在一個(gè)以基于某種總線架構(gòu)的微處理器核為核心的SoC中嵌入可編程邏輯模塊，構(gòu)成可重構(gòu)的SoC1重構(gòu)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)往往由處理陣列單元PEA和I/OXPP的馮.諾依曼指令流模式。由于高度規(guī)整化，很容易獲得指令級(jí)平行性和流水線效率。TriscendCSoC6SoPCSoPC是一種特殊的片上系統(tǒng)，是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在線系統(tǒng)開發(fā)中可編程的功能，結(jié)合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：IP核RAMIP核資源可供靈活選擇足夠的片上可編程邏輯資源FPGA編程接口共用或并存可能包含部分可編程模擬電路SoPC結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。除了上述特點(diǎn)外，還涉及目前已引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SoPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測試分析因此必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具而在應(yīng)對復(fù)雜設(shè)計(jì)方面諸如Xilinx公司的SystemGeneratorforDSP就是一個(gè)利用可編程硬件邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法的強(qiáng)大輔助工具。ASICSoCASICSoC低功耗、低成本化等特點(diǎn)，一般具備以下基本特征：CPU核具有規(guī)范的總線架構(gòu)（AMBA）RAM（或片上訪存控制器）7I/O設(shè)備（包括模擬的）具有可擴(kuò)展的接口（PCI）具有可在線調(diào)試口（eJTAG）具有可測試性電路ASICSoC一般是基于IP核或SoC開發(fā)平臺(tái)的產(chǎn)品，需要專門技術(shù)、IPSoC總線架構(gòu)和嵌入式軟件支持（包括BIOS、OS，需要廣泛的多功能IP核和將客戶邏輯與之集成在一起的設(shè)計(jì)藝術(shù)，以滿足客戶產(chǎn)品開發(fā)的需求。SoCIP發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)。目前SoC總線架構(gòu)有很多種，如IBM 公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wi、MIPS技術(shù)公司的SOC-it和CoreFram等可喜的是國內(nèi)也有許多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的總線架構(gòu)，如中科院計(jì)算所，如圖3所示）,C*BUS（蘇州國芯）等。每一種總線架構(gòu)都是為滿足其特定應(yīng)用領(lǐng)域的要求而發(fā)展起來的。有些適合低端嵌入式產(chǎn)品，有些適合手持產(chǎn)品有些適合高能性產(chǎn)品各有自己的優(yōu)勢SoC的發(fā)展離不開功耗性能成本可測性可靠性、IP核可復(fù)用性、平臺(tái)技術(shù)支持性和軟硬件協(xié)同開發(fā)性等方面制約。需要開發(fā)者具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)背景知識(shí)，才能支持其得到快速發(fā)展。85嵌入式片上系統(tǒng)SoC技術(shù)發(fā)展方向SoC2090CSoCSoPCASICSoCSoC的技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。計(jì)算機(jī)學(xué)科提升SoC技術(shù)水平（以程序和數(shù)據(jù)合一為特征）和數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)（序和數(shù)據(jù)分離為特征）是計(jì)算機(jī)的主流體系結(jié)構(gòu)。通用計(jì)算機(jī)的微小型化，為SoCPCBSoCBIOSSoC設(shè)計(jì)技術(shù)中，也促使SoCPCSoC技術(shù)發(fā)展盡管與工藝發(fā)展和EDA設(shè)計(jì)手段的提高有很大關(guān)系，但其核CPUIP算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)。尤其在高端應(yīng)用領(lǐng)域，如多CPU核集成和異構(gòu)型集成等系SoC的技術(shù)發(fā)展。SoCSoC技術(shù)發(fā)展與市場需求緊密相關(guān)。SoC的主要應(yīng)用領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、工控、交通運(yùn)輸?shù)取Ｔ赟oC的銷售額中通信類、計(jì)算機(jī)類和消費(fèi)類占80%以上，消費(fèi)類所占比重在不斷增長。進(jìn)一步細(xì)分SoC市場，計(jì)算機(jī)類有圖像處理、硬盤驅(qū)動(dòng)、高檔打印機(jī)、個(gè)人助理等；通信類有有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、手機(jī)、可視設(shè)備、通信基站等；消費(fèi)類有數(shù)字電視、DVD、STB、數(shù)碼相機(jī)等；工控類有過程控制/處理、測試/儀表、醫(yī)療設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等；交通運(yùn)輸類有引擎控制、儀表裝置、安全系統(tǒng)等。SoC市場規(guī)模的日益擴(kuò)大，在信息技術(shù)和電子產(chǎn)品領(lǐng)域的地位越來越重要。SoCSoCSoCSoCSoC9CPUGUI話、語言同聲翻譯等。SoC3264RISC等增強(qiáng)型處理器件，同時(shí)支持嵌入式RTOS這些都對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)提出了更大挑戰(zhàn)。SoCSoC隨著國內(nèi)外處理器/IPIPSoCIC產(chǎn)業(yè)往深度、廣度方向發(fā)展。針對工業(yè)界的需求SoC設(shè)計(jì)人員在構(gòu)令流、指令流和數(shù)據(jù)流等體系結(jié)構(gòu)方面的深入研究，也會(huì)為計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。SoCSoCSoC做更深入的研究。目前的SoC技術(shù)發(fā)展主要在同種工藝層面上實(shí)現(xiàn)，以電子技術(shù)為主。但在的能完成特定功能的微系統(tǒng)已經(jīng)提到議事日程，把微電子和微機(jī)械結(jié)合的MEMSSoCMEMS也是多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，涉及電子工與技術(shù)。PackageCMOSGaAs電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電容、電感