-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(guān)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(gòu)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(wù)的計算機系統(tǒng)應(yīng)用的角度；軟硬件協(xié)同，含可編程器件(CPU)；面向特定功能，預(yù)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(wù)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(shè)備Power輸入設(shè)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(jié)構(gòu)的不同可分為五大系列ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 ARM體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lǐng)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(jié)構(gòu) Motorola半導(dǎo)體（現(xiàn)Freescale半導(dǎo)體）聯(lián)合IB

5、M以及蘋果電腦 SH體系結(jié)構(gòu)SH(SuperH)系列是由前日立半導(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)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(lǐng)域；再其次的是通信領(lǐng)域。此外，汽車導(dǎo)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(shè)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(shù)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?，F(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(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)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(lǐng)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(yīng)用：嵌入式處理器應(yīng)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(yīng)用32位MODEM 掌上電腦 路由器 數(shù)碼相機 GPRS 網(wǎng)絡(luò)家庭64位高級工作站 新型電腦游戲機 各種多媒體應(yīng)用嵌入式外圍設(shè)備嵌入式外圍設(shè)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(shè)備嵌入式外圍設(shè)備根據(jù)外圍設(shè)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(yīng)用，但是以下幾種接口的應(yīng)用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO。I/O設(shè)備類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備,以及傳感/控制等。嵌入式外圍設(shè)備根據(jù)與主CPU關(guān)系可分為：片內(nèi)設(shè)備： RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO等；片外設(shè)備：外部芯片，傳感器/驅(qū)動器、顯示器/輸入設(shè)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(fù)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(yīng)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(shè)計 SoC 芯片設(shè)計中 的IP 模塊 SoC 的設(shè)計基礎(chǔ)是IP（Intellectual Property）復(fù)用技術(shù)。 已有的IC 電路以模塊的形式在SoC 芯片設(shè)計中調(diào)用這些可以被重復(fù)使用的IC 模塊就

12、叫做IP 模塊 IP 模塊是一種預(yù)先設(shè)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(shè)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(shè)計方法（全定制）人工完成版圖設(shè)計后流片生產(chǎn)全定制電路的設(shè)計從系統(tǒng)設(shè)計開始到版圖設(shè)計結(jié)束，這是電子系

13、統(tǒng)的全程設(shè)計在晶體管級和版圖級后端設(shè)計中，通過對晶體管級電路和布局線的優(yōu)化設(shè)計，可以使最后的設(shè)計結(jié)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(shè)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(shè)計和生產(chǎn)ASIC設(shè)計方法（門陣列）IO焊盤塊單元行單元布線區(qū)ASIC設(shè)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(jié)構(gòu)。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(shè)計(標準單元 )標準單元法設(shè)計是一種常用

14、的集成電路設(shè)計方法所謂標準單元，是指預(yù)先設(shè)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(shè)計，標準單元的邏輯符號及電學(xué)特性存入邏輯庫中，版圖則存入版圖庫標準單元設(shè)計，就是在設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)、無總線結(jié)構(gòu)、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(shè)，可以利用實時操作系統(tǒng)和總線結(jié)構(gòu)，中等成本控制，儀表定制嵌入模式：高度集成的外設(shè)，實時操作系統(tǒng)和總線結(jié)構(gòu)，高性能網(wǎng)絡(luò)、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(gòu)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(jié)構(gòu)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(wù)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(chǔ) 嵌入式軟件的組成硬件層系統(tǒng)軟件層應(yīng)用軟件層嵌入式軟件的組成嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)分類輪轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶中斷的輪轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輪轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)void main()while (true)if (/設(shè)備1需要服務(wù))/處理設(shè)備1服務(wù)if (/設(shè)備2需要服務(wù))/處理設(shè)備2服務(wù)if (/設(shè)備n需要服務(wù))/處理設(shè)備n服務(wù)帶中

18、斷的輪轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)void main()while (true)if (fDevice1)fDevice1 = false;/處理設(shè)備1數(shù)據(jù)if (fDevice2)fDevice2 = false;/處理設(shè)備2數(shù)據(jù)if (fDeviceN)fDeviceN = false;/處理設(shè)備N數(shù)據(jù)實時操作系統(tǒng)調(diào)度結(jié)構(gòu)void interrupt vHandleDeviceA()/關(guān)注I/O設(shè)備A/設(shè)置信號Xvoid interrupt