《SoC与嵌入式系统》PPT课件.ppt

提问,什么是嵌入式系统？ 说说SoC与嵌入式系统的关系,模拟收音机,数字收音机,嵌入式系统总体组成,传感器,/,数字处理系统,/,动作机构,嵌入式系统定义,嵌入式系统是包含可编程计算机、软硬件协同工作的、执行特定任务的计算机系统 应用的角度； 软硬件协同，含可编程器件(CPU)； 面向特定功能，预先定制好的；,嵌入式开发板,计算机系统分类,通用计算机系统：工作对象为人 PCs Laptops Mainframes（主机系统） Servers（服务器） 嵌入式计算系统：工作对象为自然世界,嵌入式系统的组成,典型嵌入式系统硬件组成,MPU,或,MCU,DSP,AD,转换器,UART,Ethernet,JTAG,DA,转换器,USB,RTC,WDG,FLASH,ROM,DMAC,RAM,中断,控制器,嵌入式系统硬件电路板,放大器,传感器,PLL,输出,设备,Power,输入,设备,嵌入式系统组成一：微处理器,高效的执行性能 灵活的软件运行能力 微小的体积,处理器(Processor),MPU (Micro-Processor Unit) :微处理器 MCU(Microcontroller Unit):微控制器 DSP(Digital Signal Processor):数字信号处理器 SoC(System On Chip):系统芯片,片上系统 SoPC：基于FPGA的嵌入式系统 *CPU：Central Process Unit,微处理器(MPU),不含I/O外围器件，提供高性能运算性能 Intel80x86 SPARC PowerPC EMPU:Embedded MPU,32位嵌入式MPU,目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大系列 ARM MIPS POWER PC X86 SH系列,ARM体系结构,ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族 ARM 9 Thumb 家族 ARM 10 Thumb 家族 ARM 11 Thumb家族 Cortex:M3,M0,A8,A9,MIPS体系结构,从1986年推出R2000处理器以来，陆续推出R3000、R4000、R8000等。 之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。 1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。 此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。,在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量 2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器。 份额仅次于ARM位居全球第二。 在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。 MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商 龙芯,Power PC体系结构,Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑,SH体系结构,SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间,1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。 SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。 此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。 在美国，SH系列占有较大的市场份额,嵌入式微控制器(MCU),又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。,典型微控制器,Motolora 68HC11xx(Freescale) Intel 8051 Microchip PIC Renesas M16C,嵌入式系统与单片机系统区别,从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。它们都是专用的计算机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。 现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。 低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板 高端嵌入式系统： SoC,嵌入式DSP处理器(DSP),DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。 在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。,嵌入式DSP处理器(DSP),有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。 ADSP目前有已经发展成为ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等几个不同系列的处理器。,嵌入式处理器位数分类,总线宽度 地址，数据 处理器处理数据宽度 定点数，浮点数 寄存器位宽 4,8,16,32,64位,以处理器的位数来划分,不同等级的处理器应用：,嵌入式外围设备,嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。 INPUT/OUTPUT设备,嵌入式外围设备,根据外围设备的功能可分为以下2类： 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO。 I/O设备类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备,以及传感/控制等。,嵌入式外围设备,根据与主CPU关系可分为： 片内设备： RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和GPIO等； 片外设备：外部芯片，传感器/驱动器、显示器/输入设备,嵌入式系统存储器,静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)， 非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。,嵌入式系统总线,AMBA总线：ARM体系总线 MIPS总线,嵌入式片上系统(SOC),在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去 应用系统电路板将变得很简洁 带处理器/软件的ASIC,SoC具有的优势,降低耗电量 减少体积 丰富系统功能 提高速度 节省成本,SOC设计,SoC 芯片设计中 的IP 模块,SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。 已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中调用这些可以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模块 IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有2 种不同形式：软IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core),Intel Penwell SoC,Intel Penwell SoC,集成电路分类（集成度）,数字IC分类,ASIC,Application Specific Integrated Circuit 为专门目的而设计的集成电路 体积小 功耗低 可靠性高 性能高 保密性增强 成本低 ROM和RAM都在出厂前经过掩膜MASK,ASIC设计方法（全定制）,人工完成版图设计后流片生产 全定制电路的设计从系统设计开始到版图设计结束，这是电子系统的全程设计 在晶体管级和版图级后端设计中，通过对晶体管级电路和布局线的优化设计，可以使最后的设计结果速度快、占用芯片面积小、可靠性高，芯片的性能指标一般要高于在PLD上实现的系统 然而，全程设计的投资大、时间长，因此只有那些市场需求量大的IC，才考虑采用全定制方式设计和生产,ASIC设计方法（门阵列）,ASIC设计方法（门阵列）,门海阵列（Sea-of-Gate，简称为SOG）是为了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，将门阵列中的布 线通道去掉， 用基本单元占 据整个阵列分 布区。,ASIC设计(标准单元 ),标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法 所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库 标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件的版图也被EDA工具所调用，进行自动布局和布线。,标准单元设计的版图布置,单元库一般包括 有下列元件： 小规模逻辑电路 中规模逻辑电路 各种宏单元模块 IP核 为了便于布局和布 线，SSI和MSI标准 单元的版图都被设 计成矩形状，版图 的高度相近或相等， 但宽度可以不同,可编程器件(PLD),SPLD PROM:与阵列固定，或阵列可编程，输出不可编程 PLA:与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程 PAL:与、或阵列可编程，输出不可编程 GAL:与、或阵列可编程，输出宏单元可编程 CPLD:复杂可编程逻辑器件 FPGA：现场可编程门陈列 SOPC: System On Programmable Chip,组合逻辑实现,CPLD vs FPGA,基于FPGA的嵌入式系统,一般嵌入式系统 CPU/DSP为核心硬件 硬件固定，软件可灵活配置 基于FPGA的嵌入式系统 软硬件协同设计、工作 硬件可编程 SOPC（片上可编程系统）,FPGA嵌入式系统分类,状态机模式：可以无外设、无总线结构、无实时操作系统(RTOS),低成本 VGA、LCD控制 单片机模式：包括一定的外设，可以利用实时操作系统和总线结构，中等成本 控制，仪表 定制嵌入模式：高度集成的外设，实时操作系统和总线结构，高性能 网络、无线通信,3类RISC处理器为核心 PicoBlaze:8位软核，支持汇编，程序驻留FPGA的块RAM MicroBlaze:32位软核，包含32个32位通用寄存器和一个可选的32位移位寄存器，时钟达150MIPS PowerPC：32位PowerPC405硬核，程序级兼容PowerPC的嵌入式架构 流行内核： MicroBlaze和PowerPC ALtera公司： Nios,NiosII,Xilinx公司嵌入式解决方案,MicroBlaze体系结构,Altera嵌入式FPGA,SOPC：Nios,NiosII Cyclone,Stratix系列均支持 NiosII 32位软核处理器 6级流水线 最高266M主频,嵌入式系统软件,(1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 软件的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础,嵌入式软件的组成,硬件层,系统软件层,应用软件层,嵌入式软件的组成,嵌入式软件体系结构分类,轮转结构 带中断的轮转结构 实时操作系统结构,轮转结构,void main() while (true) if (/设备1需要服务) /处理设备1服务 if (/设备2需要服务) /处理设备2服务 if (/设备n需要服务) /处理设备n服务 ,带中断的轮转结构,bool fDevice1 = false; bool fDevice2 = false; bool fDeviceN = false; void interrupt vHandleDevice1() fDevice1 = true; void interrupt vHandleDevice2() fDevice2 = true; void interrupt vHandleDeviceN() fDeviceN = true;,带中断的轮转结构,void main() while (true) if (fDevice1) fDevice1 = false; /处理设备1数据 if (fDevice2) fDevice2 = false; /处理设备2数据 if (fDeviceN) fDeviceN = false; /处理设备N数据 ,实时操作系统调度结构,void interrupt vHandleDeviceA() /关注I/O设备A /设置信号X void interrupt vHandleDeviceB() /