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1、第六章,系统集成芯片 的体系结构,6.1 系统集成芯片的结构,6.1.1 引言 系统集成芯片SOC以电子系统的系统功能为出发点，把系统模型、处理机制、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单片或若干芯片上完成整个系统的功能。系统功能集成是SOC的核心技术。 SOC不是以功能电路为基础的分布式系统的综合技术，而是以功能IP核为基础的系统模块和电路综合的技术。IP核是SOC应用的基础。嵌入式系统是SOC的基本结构。,所谓嵌入式系统是计算机应用的一种方式。在嵌入式系统中，计算机硬件和软件结合在一起，构成一个专门的计算装置，这种计算装置设有普通计算机所提供的那些许多便利的用户接口和软件工具
2、，一般不能进行用户再编程。嵌入式系统中软件的开发是通过交叉开发来完成的，即开发环境和实时运行环境是不同的。嵌入式系统工作在与外界发生交互并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时运行。因此，嵌入式系统不再具有普通计算机的形态和功能，是一个大系统或大的电子设备的一部分。,嵌入式系统通常具有如下特点： (1) 完成单一或一组紧密相关的特定功能； (2) 系统作为整个设备的一部分，其运行一般不需要人工干预； (3) 具有高性能和实时处理的要求； (4) 具有良好的电磁兼容性。 SOC以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成，是微电子领域IC设计的必然趋势和最终目
3、标，也是现代电子系统设计开发的最佳选择。 SOC是一种系统级集成芯片，其系统功能可以由全硬件电路完成，也可以由硬件和软件协同完成。,6.1.2 系统集成芯片的硬件结构,目前，系统集成芯片可分为两种类型 一种是专用的SOC芯片，这类芯片是专用集成电路ASIC（Application Specific Integrate Circuits）向系统级集成的自然发展。 另一类是通用类型的SOC芯片，在这类SOC上，将绝大部分部件，如RISC处理器，DSP、RAM、接口电路等集成在芯片上，同时提供用户设计所需要的可编程逻辑资源和软件编程所需的资源。 无论是专用SOC还是通用SOC，它们在结构上都有相似的
4、特点，都是以嵌入式系统结构为基础，集软、硬件于一体的系统级芯片。,通用类型SOC的结构,专用硬件,嵌入式处理器,片上RAM和ROM,测试电路,接口电路,加密逻辑,嵌入式处理器 Reduced Instruction Set Computer (RISC)和Complex Instruction Set Computer(CISC） CISC具有如下显著特点： (1) 指令格式不固定，指令长度不一致，操作数可多可少； (2) 寻址方式复杂多样，以利于程序的编写； (3) 采用微程序结构，执行每条指令均需完成一个微指令序列； (4) 每条指令需要若干个机器周期才能完成，指令越复杂，花费的机器周期越
5、多。,CISC 的缺点 CISC所包含的为数众多的指令，其使用频度并不平衡。 微指令的结构限制了CISC CPU速度的进一步提高。 CISC结构不利于并行处理方法。 6.1.3 嵌入式软件 有些SOC需要嵌入式实时操作系统（Real Time Operational System，简称为RTOS）的支持。 嵌入式实时操作系统是计算机操作系统的技术和设计理念在嵌入式系统中的应用。,6.2 SOC中的嵌入式精简指令集处理器RISC,6.2.1 概述,式中，P是微处理器的性能， I是程序的指令集合，C为每 条指令的平均执行周期数， f为微处理器工作频率。,对于一个微处理器的性能，可以由下式表示：,6
6、.2.2 RISC的定义与特点,RISC这个术语是由美国California大Berkelay分校的David Patterson于1980年提出的，到了二十世纪九十年代，RISC计算机获得了广泛的应用。然而，RISC又是一种模糊的术语。严格地说，RISC既不是一种体系结构，也不是一种实现结构，而只是一种计算机设计的基本准则，或一种设计理想。1990年，Micheal Slater 18提出如下定义： RISC处理器所具有的指令系统应有利于流水线处理器的高效执行，并有利于优化编译器的代码生成。,RISC处理器具有如下特点：,1.格式简单、长度固定的指令系统 2. 短周期时间 3. 单周期执行指
7、令 4. Load（取）/Store（存）结构 5. 硬连线控制 6. 大寄存器堆(Register file) 7. 哈佛（Harvard）总线结构 8. 高效的流水线操作 9. 延时转移,10. 重迭寄存器窗口技术,输入,局部,输出,W1,输入,局部,输出,W2,输入,局部,输出,W3,在RISC处理器中，寄 存器堆采用窗口式结 构，这种结构特别适 合于过程调用，有利 于参数传递。,11. 优化编译器,二十世纪70年代中期，Stanford大学在研制MIPS（Microprocessor without Intel locked Pipeline Stages）处理器时，即开始从事对MIP
8、S RISC编译器的优化编译技术的研究，以解决如何有效地利用RISC的硬件资源（如并行处理技术、寄存器堆、高速缓存等），充分挖掘程序的并行性；更合理地利用RISC体系结构所定义的指令系统，减少执行指令的数量；最大限度地利用通用寄存器，减少高速缓存和主存访问等。MIPS编译器的优化技术取得实质性的进展，并逐步成为世界上最先进的优化编译器。 RISC处理器的上述特点并不排斥执行复杂功能的指令（例如浮点运算），然而只有那些对系统功能产生净增益的功能用硬件实现（从而包含这类指令），其余部分都用软件实现。所谓“精简”，并不是简单地减少，而是保留经验证的能提高计算机性能的指令。RISC设计的基本目的在于使
9、计算机结构更加简单、更加合理、更加有效。,6.2.3 RISC的指令特点 6.2.4 RISC的并行处理技术 1. 流水线处理技术,取指,译码,执行,写结果,取指,译码,执行,写结果,取指,译码,执行,写结果,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,取指,流水线操作的处理器硬件相应比较复杂，同时，对指令 系统的设计有一定的要求，如指令格式应简单，指令长度应 相同，指令的执行时间应一致等。,超流水线技术 提高流水线处理效率的另一个方法是缩短机器周期。一般是将一个机器周期划分为若干个子周期，每个子周期均发射一条新的指令，亦即每个机器周期发射多条指令，从而提高计算机的性能。这种处理方式称为超流水线处理
10、技术。,取指1 取指2,译码 执行,取指3 取指4,存贮1 存贮2,译码 执行,检查标志 写结果,存贮3 存贮4,检查标志,子周 期1,子周 期2,2. 超标量处理技术 超标量处理同标量处理一样，执行非向量化，但又像向量机那样，可以处理多个操作数。超标量处理都采用流水线操作方式，一次发射多条指令。,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,取指,译码,执行,写结果,取指,译码,执行,写结果,3. VLIW处理技术 VLIW Very Long I
11、nstruction Word 相当长的机器指令字。VLIW处理器的指令字长可高达几百比特，而且指令所包含的字段是全正交的，彼此互不相关，故可控制多个功能部件。 多执行部件,全局多端口寄存器堆,功能 部件,功能 部件,功能 部件,功能 部件,指令 定序器,指令存储器,6.2.5 RISC/DSP结构,在面向数字信号处理或者高速数据处理应用的SOC中，往往将RISC处理器和DSP组合在一个芯片上，构成RISC/DSP结构。这种结构有两种形式。一种是将独立的RISC处理器与独立的DSP集成在一个芯片上，两者的指令流和数据流分开。另一种形式是将DSP按照RISC原则进行重新设计，使两者的指令流甚至数
12、据流全部统一。 在数字信号处理中，最基本的运算是离散卷积，其基本的运算形式为:,DSP的基本运算是 累加乘。,CPU核与DSP各自独立,CPU核与DSP核同指令流 但数据地址各自独立,CPU与DSP同指令流、同地址,6.2.6 RISC核的设计,RISC核的设计原则： (1) 模块化：若需加入新的指令，只需要修改相关的部分，系统结构不应变化。 (2) 可扩展性：所有的数据结构和接口应能方便加入新的模块。 (3) 可综合性：处理器核的描述应该能够综合，以得到实际电路的实现。 (4) 可测试性：处理器核的设计应该便于进行系统测试和性能分析。 (5) 分布性：处理器的控制设计成分布式控制，便于指令集
13、扩展和处理器适应新的应用要求。分布式控制主要负责流水级管理和每个流水级之间的状态通信。,6.3 嵌入式处理器ARM的体系结构,6.3.1 概述,ARM处理器的性能及工作速度发展概况,性能,6.3.2 ARM7系列处理器,ARM7系列处理器,ARM7TDMI,ARM7TDMI -S,ARM7EJ,ARM720T,ARM7核 ARMv4T Thumb指令集 嵌入式ICE-RT ETM7接口,ARM7核 ARMv4T Thumb指令集 嵌入式ICE-RT ETM7接口,ARM7核 ARMv5TEJ Thumb指令集 嵌入式ICE-RT ETM9接口 Jazelle扩充 DSP扩充,ARM7核 ARM
14、v4T Thumb指令集 嵌入式ICE-RT ETM7接口 MMU 8KB Cache AHB接口,上述处理器产品中的后缀的意义如下： T 具有16位压缩指令集Thumb。在ARMv4中采用Thumb v1版，在ARMv5中采用Thumb v2版。 D 支持在片上调试（On Chip Debug）,允许处理器响应调试暂停请求。片上调试，又称为OCD，是CPU芯片提供的程序调试功能，该方式的主要优点是不占用目标机的资源，调试环境和最终程序运行环境基本一致，支持软硬件断点和跟踪。目前常用的OCD有BDM（Background Debugging Mode）方式，JTAG（Joint Tese Ac
15、tion Group）方式和OnCE(On Chip Emuiation，其实质是BDM和JTAG的一种融合方式)，其中JTAG是主流的OCD方式，ARM、MIPS和Power PC等嵌入式处理器都采用不同种类的增强JTAG方式。 M 增强型乘法器，可以执行32bit32bit得到64bit乘积的乘法运算和32bit32bit+64bit得到64bit结果的累加乘运算。 S 可综合的（Synthesizable）核。,嵌入式ICE（In Circuit Emulating）硬件逻辑，支持嵌入式软件调试时的软硬件断点的设置。 E 增强型DSP指令。在这类处理器的指令集中，扩展了典型的数字信号处理
16、所需的DSP指令。 J Jazeller使能功能，允许直接执行Java代码。 1ARM7处理器核 ARM7处理器核采用三级流水线操作，三级流水线级分别为：取指、译码和执行。 保存处理器状态的寄存器堆 桶式移位器 算术逻辑运算单元 地址寄存器和地址增量器 高性能乘法器 数据寄存器 指令译码器和相关的控制逻辑,ARM7处理器核的逻辑框图,A31:0,ABE,ALE,D31:0,A L U 总 线,PC,A 总 线,B 总 线,地址增 量器总 线,2. ARM7TDMI的组织,其它信号,扫描链,ARM7TDMI 处理器的接 口信号,时钟控制信号,中断控制信号,总线控制信号,调试控制信号,存储器接口信号,存储器管理（MMU）接口信号,边界扫描（JTAG）控制信号,边界扫描扩展控制信号,协处理器接口,3ARM720T处理器,ARM720T是将ARM7TDMI与8K
