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1、微型计算机原理,第21讲 系统芯片与片上通信结构,1,微型计算机原理,主要内容 一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构 教材相关章节： 微型计算机基本原理与应用（第二版） 第14章 总线及总线标准 第7章 微处理器的内部结构及外部功能特性,2,微型计算机原理,主要内容 一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展,3,微型计算机原理,12英寸晶圆,晶圆（Wafer） 2/4/6/8英寸晶圆,18英寸晶圆 20132015年?,4,微型计算机原理,芯片制造过程示意,晶圆 Wafer,裸片 Die 芯片 Chip,5,微型
2、计算机原理,微连接技术举例 引线键合（Wire-bonding） Die Wire,6,微型计算机原理,微连接技术举例 倒装片（Flip-chip）,5,4,3,2,1,7,微型计算机原理,8,微型计算机原理,芯片封装技术举例 TSOP(Thin Small Outline Package) 薄型小尺寸封装,9,微型计算机原理,芯片封装技术举例 QFP(Quad Flat Package) 四侧引脚扁平封装,10,微型计算机原理,芯片封装技术举例 PGA(Pin Grid Array) 引脚网格阵列,11,微型计算机原理,芯片封装技术举例 BGA(Ball Grid Array) 球栅阵列,1
3、2,微型计算机原理,主要内容 一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展,内存条,（主存/DRAM）,13,微型计算机原理,键盘,显卡,微处理器芯片的集成度不断提高,CPU,内 存 条 插 槽,内存接口控制器 北桥芯片 PCI-E接口控制器,PCI-E插槽 ROM接口控制器,键盘插口,南桥芯片 键盘接口控制器,显示器,BIOS芯片 （ROM）,14,微型计算机原理,系统芯片实例,15,微型计算机原理,16,微型计算机原理,单芯片计算机方案,17,微型计算机原理,单芯片计算机方案和传统南北桥方案,18,微型计算机原理,主要内容 一、芯片的制造和封装 二、系
4、统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展,19,微型计算机原理,系统总线和片上总线的位置 片上总线 系统总线,20,微型计算机原理,系统总线和片上总线实例 系统总线的实例 PCI总线 Intel公司制定 片上总线的实例 AHB总线 ARM公司制定,AHB总线,PCI总线,21,微型计算机原理,一个包含AHB和PCI总线的系统实例,M 以太网 S 控制器,译码器,仲裁器,微处 理器,M,存储 控制器,S,总线 桥接器,M S,S M,仲裁器,M: 主模块接口 S: 从模块接口,22,微型计算机原理,总线标准的内容 1、机械特性 规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等
5、2、电气特性 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等 3、功能特性 给出各总线信号的名称及功能定义 4、规程特性 对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明,23,微型计算机原理,总线标准对比,1、机械特性 规定模块插件的机械尺 寸，总线插头、插座的 规格及位置等 2、电气特性 规定总线信号的逻辑电 平、噪声容限及负载能 力等,PCI总线,AHB总线,24,微型计算机原理,总线标准对比,1、机械特性 规定模块插件的机械尺 寸，总线插头、插座的 规格及位置等 2、电气特性 规定总线信号的逻辑电 平、噪声容限及负载能 力等,PCI总线,AHB总线,25,微型计算机原理,总线标准对比 3、功能特
6、性 给出各总线信号的名称及功能定义,REQ GNT FRAME IRDY C/BE3:0 AD31:0 DEVSEL TRDY ,PCI总线,HREQ HGRANT HTRANS1:0 HBURST2:0 HSIZE2:0 HADDR31:0 HWDATA31:0 HSEL HREADY HRDATA31:0,AHB总线,26,微型计算机原理,PCI总线多功能信号说明 AD31:0 A：Address D：Data C/BE3:0 C：Command BE：Byte Enable,27,微型计算机原理,C/BE信号的命令模式说明,28,微型计算机原理,总线标准对比 4、规程特性 对各总线信号的
7、动作过程及时序关系进行说明,基本读传输 基本写传输 配置读传输 配置写传输,PCI总线,单个读传输 单个写传输 突发读传输 突发写传输,AHB总线,29,微型计算机原理,AHB总线：单个数据的传输,未准 备好,未准 备好,准备好,主模块 发出地址,从模块 采样地址,主模块采样读数据,30,微型计算机原理,AHB总线：4个数据的突发传输,主模块忙,地址总线空闲,IDLE INCR4 地址递增的4个数据的传输,传输开始,传输进行中,31,微型计算机原理,PCI总线：基本的读传输,32,微型计算机原理,PCI总线：基本的写传输,33,微型计算机原理,C/BE信号的命令模式说明,AHB总线,34,微型
8、计算机原理,总线译码方式（1） 集中式译码,从模块1,从模块2 主模块2 从模块3 译码器,1.发出地址 主模块1,35,微型计算机原理,总线译码方式（1）,集中式译码（电路图）,地址和控制,选中,读数据 和响应,从模块,1,主模块,从模块 3,1 从模块 2 主模块,译码器,2 case ( addr15:12 ) 4b0000: sel1 = 1 ; 4b0001: sel2 = 1 ;,4b0010: sel3 = 1 ; .,endcase,PCI总线,被选中,36,微型计算机原理,总线译码方式（2）,分布式译码,从模块1 从模块2 从模块3,1.发出地址 主模块1 主模块2,译码 逻
9、辑 2.自己声明 译码 逻辑 译码 逻辑,if addr31:28 = 4b0001 devsel = 0; else devsel = 1;,if addr31:28 = 4b0011 devsel = 0; else devsel = 1;,37,微型计算机原理,PCI总线：DEVSEL信号,38,微型计算机原理,PCI总线的分布式译码 为什么要采用“分布式译码”？ 如何实现“分布式译码”？,39,微型计算机原理,PCI配置空间（头部寄存器）,40,微型计算机原理,PCI总线配置传输 每个总线模块 都有一个单独 的IDSEL信号 输入，用作指 示配置传输的 目标,41,微型计算机原理,主要
10、内容 一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构的新发展,42,微型计算机原理,AMBA2.0-AHB的不足之处举例 当主模块1长时间等待从模块2返回读数据时， 造成了大量与此无关的传输无法发起： 主模块2到从模块3的读传输 主模块1到从模块2的写传输 主模块1到从模块1的写传输,INTC,总 线,ROM,主模块1 CPU,主模块2 DMA,从模块1,DRAM 从模块2,从模块3,43,微型计算机原理,AMBA3.0-AXI的新特性 AXI：Advanced eXtensible Interface 1. burst-based transactions wi
11、th only start address issued 2. separate read and write data channels 3. issue multiple outstanding addresses 4. out-of-order transaction completion 5. support for unaligned data 说明：AXI实质上并不是总线，而是介于总线 和网络之间的互连结构，但通常仍称为总线,44,微型计算机原理,AXI的读通道,45,微型计算机原理,AXI的写通道,46,微型计算机原理,芯片的复杂度和处理能力不断提高 未来单个芯片内将集成几百上千
12、处理单元和存储单元 用于消费类电子的SoC的设计复杂度预测（ITRS）,47,微型计算机原理,片上通信结构,面临的主要问题,片上网络的兴起,功耗问题,信号完整性问题,信号延迟问题,吞吐率问题 并行传输,高效率,可预测,数据纠错 重传机制,全局异步 局部同步 全局同步问题,48,微型计算机原理,片上网络研究热点 片上网络的研究领域和协议栈的对应关系 片上网络路由研究关注的重点,49,微型计算机原理,片上网络的相关研究成果 花束型（torus）结构 *Design Automation Conference, 2001. 二维网格结构的NOSTRUM *IEEE Computer Society
13、Annual Symposium on VLSI, 2002. 片格中的 处理单元,50,微型计算机原理,片上网络路由器的结构实例 面向二维网格结构 为确保服务和尽力 而为服务提供独立 的路由部件 采用输出缓冲的模 式 在输出端口进行链 路调度 设置4个虚通道,51,微型计算机原理,片上网络的相关研究成果 八边形的Octagon *Design Automation Conference, 2001 胖树结构的SPIN *Design, Automation and Test in Europe, 2000,22mm,52,微型计算机原理,80核处理器 2008年10月，Intel公开展出首款80核处理器 原型：Teraflop Research Chip,Router,Core,80 cores,主频：3.165.7GHz,性能：1.011.81Tflops 功耗：62256W 13.75mm,Class Over,Restrooms,Telephones,Refreshments,
