soc技术原理与应用

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1、SoC技术原理与应用,主 讲：郭 兵 单 位：四川大学计算机（软件）学院 电 话： 028-81228076劲舞团SF http:/ 绪论 (1周) 第二章 嵌入式软件工程 (2周) 第三章 VLSI集成电路 (2周) 第四章 IP核的设计、选择与验证 (2周) 第五章 SoC设计与测试 (2周),课堂讨论 (2周) 第六章 家庭网关的系统设计 (2周) 第七章 HGSOC芯片设计方案 (2周) 第八章 HGSOC平台解决方案的测试与验证 (1周) 第九章 SoC技术的应用与研究展望 (1周),参 考 书 - 1 郭兵, 沈艳. SoC技术原理及应用.清华大学出版社, 2006. 2 罗胜钦.

2、 数字集成系统芯片（SoC）设计. 北京希望电子出版社，2003. 3 Rochit Rajsuman著，于敦山，盛世敏，田泽译. SoC设计与测试. 北京航空航天大学出版社，2003.,第一章 绪论,嵌入式系统,主要内容,微电子技术,SoC技术,SoC技术应用现状,课程简介,1.1、嵌入式系统,1.1.1 嵌入式系统定义 1.1.2 嵌入式系统的组成 1.1.3 嵌入式系统开发 1.1.4 嵌入式软件开发平台,1.1.1、嵌入式系统定义,嵌入式系统（Embedded System），全称嵌入式计算机系统（Embedded Computer System），是指以应用为中心、以计算机技术为基础

3、、软/硬件可裁剪、适应应用环境（Real world）对功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等严格约束的专用计算机系统。由于嵌入式系统一定是实时系统（Real-Time System），随应用环境不同，实时性有强、弱之分，因此，也被称为嵌入式实时系统（Embedded Real-Time System）。 在本课中，如无特别说明，嵌入式系统和实时系统都是指嵌入式实时系统，二者的含义是等价的。,嵌入式系统一般由嵌入式微处理器（主要由464位的MPU、MCU和DSP组成）、存储器、I/O接口等硬件及其软件组成，通常以SoC、单板机、多板式箱体结构、嵌入式PC等形式嵌入到各式各样的设备或大系统（如

4、数字移动电话、路由器、导弹、信息家电等）中，作为设备或大系统的处理和控制核心。嵌入式系统的狭义定义是指主要由16位及16位以上的MPU、MCU和DSP组成，其应用程序的运行一般需要一个RTOS的支持，这是它不同于过去许多单片机或单板机应用的关键之处。在本课中主要使用嵌入式系统的狭义定义。 简而言之，嵌入式系统是将通用计算机系统的软、硬件技术应用于其它非计算机类的专用设备中。,与通用台式计算机系统相比，嵌入式系统具有以下几个重要特点： 专用性;严格的约束;反应性与实时性;嵌入式系统是一门实践性和综合性都非常强的前沿技术，是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个行业的具体应用相结合

5、后的产物。,随着“Post-PC”时代的来临，据称95的微处理器将用于嵌入式系统，嵌入式技术已经成为21世纪最热门的技术之一。其应用范围非常广泛，大到载人航天器、程控交换机，小到数字化时钟、无线传感器节点，遍布于我们生活的方方面面，可以说是“Embedded Everywhere（无处不在的嵌入）”和“Ubiquitous Computing（无处不在的计算）” ，如消费电子产品 、家用电器产品 、办公自动化设备 、商用设备 、通信设备 、军事武器装备 、医疗设备 、车用设备。,1.1.2、嵌入式系统的组成,从图1-2可以看出，嵌入式系统主要由嵌入式微处理器等硬件和RTOS、嵌入式应用程序等软

6、件组成。,嵌入式系统的硬件组成主要包括： （1）嵌入式微处理器：可分成MCU、MPU和DSP三类，目前市场上有上千种嵌入式微处理器，用得比较广泛的有ARM公司的ARM系列微处理器、Motorola公司的Power PC和MC68000微处理器、MIPS公司的MIPS系列微处理器、TI公司的系列DSP等。 （2）存储器：常用的有静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）、只读存储器（ROM）、闪存（Flash ROM），每种存储器各有其用途和优缺点。 （3）I/O接口：种类繁多，如UART、并口、I2C、SPI、USB（通用串行接口）、Ethernet（以太网接口）、IEEE 1492、IE

7、EE 802.11、IRDA（红外线接口）、BlueTooth、GSM、CDMA、JTAG等。 （4）I/O设备：如LCD、LED、键盘、面板开关、各种传感器/执行器等。 （5）其它电路：如A/D、D/A、时钟电路、复位电路和电源模块等。,嵌入式系统的软件组成可分为以下四个层次： （1）BSP（Board Support Package）：即设备驱动程序，负责RTOS与硬件设备的信息交换，包括硬件的初始化、读、写、查询等操作，并给操作系统提供相应的设备驱动接口。 （2）RTOS（Real-Time Operating System实时操作系统）：负责整个系统的任务调度、存储分配、时钟管理和中断

8、管理，并提供文件、GUI、网络、数据库等功能。 （3）API（Application Programming Interface应用编程接口）：为编制应用程序提供的各种编程接口库（Lib）。 （4）嵌入式应用程序：为满足嵌入式系统各种应用需要实现的应用程序，如手机上的Editor、 Notebook和游戏，路由器上的网络管理软件，数字电视上的浏览器等。,目前有许多不同类型的嵌入式系统，根据Koopman，1999的分类，可以分为以下四种类型： （1）通用计算：应用程序与台式机类似，但在一个嵌入式软件包中，如Video games、Set-top boxes、Wearable computers

9、和Automated tellers。 （2）控制系统：实时系统的闭环反馈控制，如Vehicle engines、Chemical processes、Nuclear power和Flight control systems。 （3）信号处理：涉及大数据流的计算，如Radar、Sonar和Video compression/de-compression。 （4）通信和网络：信息交换和传输，如电话系统和INTERNET设备。,1.1.3、嵌入式系统开发,嵌入式系统一般由硬件和软件两部分组成，因此，其开发过程大致可分为需求分析、规格说明、硬件/软件分解、硬件/软件设计、硬件/软件实现、集成测试、产

10、品分配与维护等六个阶段。通常，在嵌入式系统硬件/软件分解结束后，开发人员分别独立进行嵌入式硬件和嵌入式软件的设计与实现，并在软件实现、硬件制造完成后，进行整个嵌入式系统的集成测试（如图1-3（a）所示）。目前，更先进的方法是建立软/硬件协同设计（Co-design）和协同验证（Co-verification）环境，对嵌入式硬件和嵌入式软件进行协同设计和协同验证，大大缩短嵌入式系统的设计、实现和调试时间（如图1-3（b）所示）。,嵌入式硬件开发过程一般有以下三种方式： （1）采用SystemC、System Verilog、Handel-C、SpecC等系统建模语言，描述系统和算法的功能及处理过

11、程，经综合（Synthesize）后输出经过优化的EDIF网表；或者采用硬件描述语言VHDL或Verilog HDL描述硬件功能和结构，然后使用EDA工具生成原理图，再利用原理图进行系统仿真，经过FPGA中试后，最后交付生产厂家生产ASIC芯片； （2）直接使用EDA工具进行布线设计PCB板，经过测试后，交付生产厂家生产。 （3）选择、外购成熟的商业硬件产品，包括芯片、线路板和外设等。,嵌入式软件开发，主要是指RTOS之上的应用程序开发，开发过程一般采用嵌入式软件工程（Software Engineering for Embedded Real-Time System）生命周期的瀑布模型，并可

12、考虑快速原型方法。由于嵌入式系统受资源限制，不可能建立庞大、复杂的开发平台，其开发平台和目标运行平台往往相互分离。因此，嵌入式软件的开发方式一般是（如图1-4所示），在主机（Host）上建立开发平台，进行应用程序的分析、设计、编码，然后主机同目标机（Target）建立连接，将经交叉编译（Cross compiling）后的应用程序目标代码下载到目标机上进行交叉调试（Cross debugging）、性能优化分析（Profiling）和测试，最后将应用程序“固化（Burning）”到目标机中实际运行。,1.1.4、嵌入式软件开发平台,嵌入式软件开发平台（Development Platform）

13、是为用户开发（包括需求分析、规格说明、设计、编码、测试、产品分配与维护等阶段）嵌入式应用程序而提供的高起点、综合的支撑环境（Supporting Environment），包括面向领域的应用程序基本框架、可复用的组件库、参考设计、应用示例、开发工具集、RTOS、相关文档以及对平台进行管理、配置的设施等技术实体，主要功能是将工具集成在一起支持某种软件开发方法或与某种软件开发模型相适应，是用户开发应用程序的重要基础，强调知识成果的积累和复用，是平台开发模式思想的集中体现。,通常，嵌入式软件开发平台支持嵌入式软件生命周期中的一个或多个开发阶段，甚至全部阶段，如设计平台、IDE（主要支持编码阶段的开发

14、平台）、测试平台、维护平台等，而能够支持嵌入式软件生命周期中大部分阶段或全部阶段的开发平台，一般称之为实时CASE（CASE for Real-Time System面向嵌入式系统的计算机辅助软件工程）环境。,目前与RTOS紧密结合、支持编码阶段的开发平台使用的较为广泛，主要有WindRiver公司的产品WorkBench、ISI公司（该公司目前已被WindRiver公司兼并）的产品pRISM+、Microtec公司的产品Spectra、Microsoft公司的产品Windows CE Platform Builder、Green Hills公司的MULTI 2000等。许多实时CASE环境也

15、得到了广泛的应用，如瑞典Telelogic公司的产品TAU、法国Verilog公司的产品ObjectGeode以及用于安全关键系统的产品SCADE、美国I-logix公司的产品Rhapsody和美国Rational公司的产品Rational Rose RealTim等。,1.2、微电子技术,1.2.1 微电子技术的发展1.2.2 VLSI 集成电路设计,1.2.1、微电子技术的发展,自1947年晶体管发明以来，微电子技术在迄今为止的50多年的时间里得到了惊人的飞速发展。微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能和性价比，这是半导体工艺不断提高的动力源泉。遵循特征尺寸平均每三年缩小倍、集成度平

16、均每三年增加4倍、芯片尺寸每年提高12%的Moore定律，集成电路（IC）制造的特征尺寸先后从最初的10m以上缩小到5m、1m、0.5m，并在1997年前后缩小至0.35m，半导体工艺自此进入深亚微米阶段（线宽0.5m）。同时，IC芯片的规模在依次经历小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）和超大规模（VLSI）阶段后，如今已发展到特大规模（GSI）阶段。,目前0.18m0.09m线宽已成为主流生产技术，世界上最先进的超深亚微米技术（线宽0.25m）0.07m和0.04m的器件已在实验室中制备成功，预计2015年微电子技术的特征尺寸将达到0.025m的“极限”水平。 超深亚微米技术的出现，对人类生产和生活的影响重大。目前，微电子技术已经广泛应用于国民经济、国防建设，乃至家庭生活的各个方面。实现人类社会信息化所需要的中高档的通信与网络产品、电子电器等消费产品，增强未来国防信息战实力所需要的高速大容量通信、高速计算机、高速信息处理及高性能的测量仪表等系统，无不需要高性能的集成电路来实现这些系统的关键硬件。,