嵌入式操作系統及Linux結課作業題目嵌入式處理器的種類及其片上系統SoC研究內容系別信息工程系專業電氣工程及其自動化學生姓名學號2023年12月1日目錄TOC\o"1-3"\h\u55081嵌入式處理器介紹1243552嵌入式處理器的種類1251202.1嵌入式微處理器1259962.2嵌入式DSP處理器2292662.3嵌入式微控制器246842.4嵌入式片上系統3320433嵌入式片上系統SoC研究內容3171753.1總線架構技術3268573.2IP核可復用技術4120693.3可靠性設計技術466673.4軟硬件協同設計技術4129203.5芯片綜合/時序分析技術4266333.6SoC驗證技術5277043.7可測性/可調試性設計技術5196363.8低功耗設計技術543813.9新型電路實現技術5193243.10嵌入式軟件移植/開發566554嵌入式片上系統SoC分類6144034.1CSoC技術特點6307204.2SoPC技術特點73504.3ASICSoC技術特點77515嵌入式片上系統SoC技術開展方向9324945.1計算機學科提升SoC技術水平9153115.2SoC推動計算機體系結構開展965895.3SoC開創了交叉學科開展的新天地1032536結束語1128219參考文獻11嵌入式處理器的種類及其片上系統SoC研究內容摘要當前在微電子及其應用領域正在發生一場前所未有的變革這場變革是由片上系統SoC技術研究應用和開展引起的。從技術層面看，SoC技術是超大規模集成電路開展的必然趨勢和主流，它以超深亞微米VDSM〔VeryDeepSubmicron〕工藝和知識產權IP核復用技術為支撐。關鍵字SoC，集成電路，VDSM1嵌入式處理器介紹自微處理器的問世以來，嵌入式系統得到了飛速的開展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統的核心局部,嵌入式處理器直接關系到整個嵌入式系統的性能。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統中運算和控制核心器件總的稱謂。世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的開展前景，很多半導體制造商都大規模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以到達2000MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。2嵌入式處理器的種類2.1嵌入式微處理器嵌入式微處理器〔MicroProcessorUnit，MPU〕是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保存和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能局部，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、本錢低、可靠性高的優點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。其中Arm/StrongArm是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。2.2嵌入式DSP處理器嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)，是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術開展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與開展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的根底。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP開展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。2.3嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)的典型代表是單片機，從70年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和本錢下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比擬豐富，適合于控制，因此稱微控制器。由于MCU低廉的價格，優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比擬有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。近來Atmel出產的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的開展。2.4嵌入式片上系統嵌入式片上系統(SystemOnChip)：SoC追求產品系統最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大局部系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。由于SOC往往是專用的，所以大局部都不為用戶所知，比擬典型的SOC產品是Philips的SmartXA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。3嵌入式片上系統SoC研究內容盡管SoC沿CSoC、SoPC、ASICSoC這三個方向開展，但最具挑戰性的還是ASICSoC研究領域。SoC設計方法學主要研究總線架構技術、IP核可復用技術、可靠性設計技術、軟硬件協同設計技術、SoC設計驗證技術、芯片綜合/時序分析技術、可測性/可調試性設計技術、低功耗設計技術、新型電路實現技術等，此外還要做操作系統/嵌入式軟件移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。3.1總線架構技術總線結構及互連技術，直接影響芯片總體性能發揮。對于單一應用領域，可選用成熟的總線架構；對于系列化或綜合性能要求很高的，可進行深入的體系結構研究，構建各具特色的總線架構，做精做強，不受制于第三方，與系統同步開展，更具競爭力。目前SoC開發研制主要有基于平臺〔包括自主構建總體架構〕、基于核、基于合成等方法，不斷推出性能更好、擴展性更強的總線標準，如AXI總線〔AMBA總線升級〕、L*BUS總線〔中科院計算所〕等。3.2IP核可復用技術IP核一般分為硬核、軟核和固核三種，硬核是指經過預先布局且不能由系統設計者修改的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表組成。IP核可復用的研究重點是開發適應多種總線接口的標準和可測試性一體化，以盡量少的外包和測試向量，到達復用目的。IP核應有良好的開發文檔和參考手冊，包括數據手冊、用戶使用指南、仿真和重用模型等，而兼容性是重要的因素。3.3可靠性設計技術由于SoC由多級總線組成，每一總線上含有多個設備〔IP核〕,如何確保整個芯片能正常運轉十分重要，必須考慮防“死鎖〞機制和“解鎖〞機制，即使某一設備〔IP核〕癱瘓了，不致影響整個芯片其他功能發揮。此外隨著超深亞微米技術開展，對總線傳輸的可靠性提出了嚴重挑戰，必須研究容錯機制和故障恢復機制。3.4軟硬件協同設計技術由于市場和設計風險的壓力，SoC軟硬件協同設計尤為重要。改良軟硬件協同說明、協同分析、協同設計、協同模擬和協同驗證，可大大減少硬件設計風險和縮短嵌入式軟件的開發調試時間。同時在協同驗證環境中能夠及時發現軟硬件中所存在的致命問題，防止在最后集成測試階段重新進行軟硬件的調整。3.5芯片綜合/時序分析技術由于SoC系統復雜度和規模愈來愈大，像多時鐘、多電壓以及超深亞微米等新課題不斷出現，對SoC的綜合性研究提出了更高的要求。尤其對時序預算如何分級、分解，關鍵路徑的特殊約束的研究，要求研究人員具有深厚的系統背景知識。與此同時，靜態時序分析〔STA〕日趨復雜、后端動態仿真效率低下，對總體設計人員提出了嚴峻的挑戰。3.6SoC驗證技術主要分IP核驗證、IP核與總線接口兼容性驗證和系統級驗證等三個層次，包括設計概念驗證、設計實現驗證、設計性能驗證、故障模擬、芯片測試等；從驗證類型分，有兼容性測試、邊角測試、隨機測試、真實碼測試、回歸〔Regression〕測試和斷言驗證等。由于芯片愈來愈復雜，軟件仿真開銷大，硬件仿真驗證成為一種重要的驗證手段。驗證工作約占整個設計工作的70%，如何提高驗證覆蓋率和驗證效率是設計驗證的永恒話題。3.7可測性/可調試性設計技術主要研究解決批生產可測性問題和在線可調試性問題，實施技術包括DFT、SCAN、BIST、Iddq、JTAG/eJTAG，要研究基于各種IP核的SoC測試架構和測試向量有效傳遞性，更重要的是要考慮測試平行化，降低芯片測試占用時間，此外要關注在線調試工作，方便用戶開發和調試基于SoC的產品。3.8低功耗設計技術低功耗已經成為與面積和性能同等重要的設計目標，因此精確評估功耗也成為重要問題。芯片功耗主要由跳變功耗、短路功耗和泄漏功耗組成。降低功耗要從SoC多層次立體角度研究電路實現工藝、輸入向量控制〔IVC〕技術、多電壓技術、功耗管理技術以及軟件〔算法〕低功耗利用技術等多方面綜合解決問題。3.9新型電路實現技術由于晶體管數急劇增加、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、多時鐘、高頻率、高可測性、新型高難度封裝等要求的出現以及新工藝/新設計技術層出不窮，半導體工藝特征尺寸向深亞微米開展，要求SoC設計師不斷研究新工藝、新工具，研究關鍵電路架構、時序收斂性、信號完整性、天線效應等問題。3.10嵌入式軟件移植/開發主要研究開發SoC的BIOS和嵌入式操作系統移植/開發，要支持多任務，要使程序開發變得更加容易，系統的穩定性、可靠性得到更好提高，要便于維護，易讀易懂，要具有平安性好、健壯性強、代碼執行效率高等特點。如對SoC片內進行嵌入式Linux操作系統代碼的植入研究，可減輕系統開發者基于BSP開發的難度，同時提高開發效率，縮短開發周期。4嵌入式片上系統SoC分類SoC產品和技術不斷開展，但在SoC分類上業界還未形成主流看法，本文將其歸類為CSoC、SOPC和ASICSoC等三大類，然后統一到SoC體系結構分類模型中。4.1CSoC技術特點CSoC一般由處理器、存儲器、基于ASIC的核和片上可重構的部件〔專用化〕等構成，相對ASICSoC和基于標準組件多芯片板級開發而言具有明顯優勢，其特征為：〔1〕CPU+可重構處理構件〔2〕效率與靈活性很好結合在一起〔3〕基于重構確定處理功能〔4〕在圖像處理、模式匹配等方面優于超級計算機〔5〕根據任務需要可動態重構，提高性價比目前學術界對可動態重構的高效處理件XPP〔eXtremeProcessingPlatform〕比擬關注。XPP是在一個以基于某種總線架構的微處理器核為核心的SoC中嵌入可編程邏輯模塊，構成可重構的SoC平臺，如圖1所示。適用的可重構數據處理架構往往由處理陣列單元〔PEA〕、面向通信網包、層次化的重構管理樹〔CM〕和I/O模塊等構成。XPP具有自動重構流和處理數據流，突破了傳統的馮.諾依曼指令流模式。由于高度規整化，很容易獲得指令級平行性和流水線效率。Triscend公司就選用了CSoC技術路線。4.2SoPC技術特點SoPC是一種特殊的片上系統，是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在線系統開發中可編程的功能，結合了SoC和FPGA各自的優點，一般具備以下根本特征：〔1〕至少包含一個以上的嵌入式處理器IP核〔2〕具有小容量片內高速RAM資源〔3〕豐富的IP核資源可供靈活選擇〔4〕足夠的片上可編程邏輯資源〔5〕處理器調試接口和FPGA編程接口共用或并存〔6〕可能包含局部可編程模擬電路SoPC結構框圖如圖2所示。除了上述特點外，還涉及目前已引起普遍關注的軟硬件協同設計技術。由于SoPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統的調試設備，如：邏輯分析儀和數字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為根底的軟硬件協同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現出來，如Xilinx公司的片內邏輯分析儀ChipScopeILA就是一種價廉物美的片內實時調試工具；而在應對復雜設計方面，諸如Xilinx公司的SystemGeneratorforDSP就是一個利用可編程硬件邏輯實現數字信號處理算法的強大輔助工具。4.3ASICSoC技術特點ASICSoC是一種面向特定應用的片上系統，具有高性能、強實時、高可靠、低功耗、低本錢化等特點，一般具備以下根本特征：〔1〕至少有一個以上的CPU核〔2〕具有標準的總線架構〔如AMBA〕〔3〕具有RAM資源〔或片上訪存控制器〕〔4〕具有適量的I/O設備〔包括模擬的〕〔5〕具有可擴展的接口〔如PCI〕〔6〕具有可在線調試口〔eJTAG〕〔7〕具有可測試性電路ASICSoC一般是基于IP核或SoC開發平臺的產品，需要專門技術、IP庫、SoC總線架構和嵌入式軟件支持〔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計藝術，以滿足客戶產品開發的需求。SoC設計者通過重用證明了的IP核，不僅利用了最新工藝技術優勢，而且減少了開發周期和風險。目前SoC總線架構有很多種，如IBM公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wishbone、MIPS技術公司的SOC-it和CoreFram等。可喜的是國內也有許多自主知識產權的總線架構，如L*BUS〔中科院計算所，如圖3所示〕,C*BUS〔蘇州國芯〕等。每一種總線架構都是為滿足其特定應用領域的要求而開展起來的。有些適合低端嵌入式產品，有些適合手持產品，有些適合高能性產品，各有自己的優勢。SoC的開展離不開功耗、性能、本錢、可測性、可靠性、IP核可復用性、平臺技術支持性和軟硬件協同開發性等方面制約。需要開發者具有強大的計算機體系結構背景知識，才能支持其得到快速開展。5嵌入式片上系統SoC技術開展方向SoC的概念從20世紀90年后期提出后，技術得到快速開展。不管是CSoC、SoPC還是ASICSoC，與計算機學科、微電子學、材料與工藝學、電子通信等日益關聯，它們的交叉學科開展為SoC的技術開展提供了強有力的支持。5.1計算機學科提升SoC技術水平馮.諾依曼體系結構〔以程序和數據合一為特征〕和數據流體系結構〔以程序和數據別離為特征〕是計算機的主流體系結構。通用計算機的微小型化，為SoC技術開展提供了源泉。所謂“今天的PCB板就是明天的SoC〞，是很好的腳注。計算機領域的總線架構技術、算法實現技術、模塊化設計技術、BIOS技術、軟件工程技術、軟硬件調試技術、系統驗證技術、性能評估技術、實時處理技術、可靠性設計技術、人機交互技術、負載平衡技術和低功耗設計技術等等無不反映到SoC設計技術中，也促使SoC能在幾年內迅猛開展起來，成為后PC時代的計算機主要開展方向之一。SoC技術開展盡管與工藝開展和EDA設計手段的提高有很大關系，但其核心是CPU核、總線架構和各種IP核。在總體性能評估和實現技術上，無不與計算機專業領域相關。尤其在高端應用領域，如多CPU核集成和異構型集成等系統需求，計算機學科會繼續從不同層面推動SoC的技術開展。5.2SoC推動計算機體系結構開展SoC技術開展與市場需求緊密相關。SoC的主要應用領域有計算機、通信、消費類電子、工控、交通運輸等。在SoC的銷售額中通信類、計算機類和消費類占80%以上，消費類所占比重在不斷增長。進一步細分SoC市場，計算機類有圖像處理、硬盤驅動、高檔打印機、個人助理等；通信類有有線網、無線網、、可視設備、通信基站等；消費類有數字電視、DVD、STB、數碼相機等；工控類有過程控制/處理、測試/儀表、醫療設備、監控系統等；交通運輸類有引擎控制、儀表裝置、平安系統等。SoC市場規模的日益擴大，在信息技術和電子產品領域的地位越來越重要。現在SoC市場上根本以中低檔的SoC產品為主。隨著數字化產品需求日益旺盛，對高端SoC的需求日益迫切，如在音視頻、通信等領域，對SoC提出了更高要求，需要雙核、四核等多核集成。SoC在中高檔方面將取代傳統意義上的CPU，向系統性能更好、功耗更小、本錢更低、可靠性更高、開發更容易方向開展，滿足人們以GUI屏幕為中心的多媒體界面與信息終端交互需求，如手寫文字輸入、身份識別、語音撥號上網、收發電子郵件、視頻播放、網絡游戲、可視、語言同聲翻譯等。SoC將嵌入32位、64位RISC芯片或數字信號處理芯片〔DSP〕等增強型處理器件，同時支持嵌入式RTOS開展，采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，繼承和開展計算機處理器技術。所有這些都對計算機體系結構提出了更大挑戰。SoC在計算機體系結構學科引領下，將迎來新一輪技術大開展，以嵌入式系統應用為核心，集軟、硬件于一體，并在系統集成中追求產品系統最大包容性。SoC芯片設計不僅需要較強的計算機體系結構背景知識，而且突顯了軟件開發的地位，對開發平臺和嵌入式操作系統提出了更高的要求，為計算機專業人員提供了大顯身手的廣闊天地。隨著國內外處理器/IP核設計技術快速開展，為計算機體系結構學科開展提供了強大的推動力。堅持開發擁有自主產權的處理器核、核心IP核和總線架構，又保證兼容性+，將使我國SoC開展具有強大的競爭力，從而帶動國內IC產業往深度、廣度方向開展。針對工業界的需求SoC設計人員在構令流、指令流和數據流等體系結構方面的深入研究，也會為計算機學科開展做出重大奉獻。5.3SoC開創了交叉學科開展的新天地SoC是需要多種學科支持的新興技術領域。它的開展已離不開計算機學科、微電子學、材料與工藝學、電子通信等領域的技術支持，新技術新產品會不斷涌現，需求不斷牽引對SoC做更深入的研究。目前的SoC技術開展主要在同種工藝層面上實現，以電子技術為主。但在實際應用中，對微小型化和系統集成技術不斷提出新的更高需求，開展集微型機構、微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制及通訊接口電路、能源等于一體的能完成特定功能的微系統已經提到議事日程，把微電子和微機械結合的MEMS將成為SoC開展的新根底。MEMS也是多學科交叉的前沿研究領域，涉及電子工程、機械工程、材料工程、信息工程、物理學、化學、光學以及生物醫學等學科與技術。系統集成最大的優勢在于繼承和開展各種工藝技術帶來的好處。各種工藝開展極不平衡，在系統集成過程中當需要多種工藝并存時，可借助SiP〔SysteminPackage〕設計技術，把不同工藝的各種集成電路