系统集成芯片.pptx
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1、第六章第六章 系统集成芯片系统集成芯片 的体系结构的体系结构 6.1 6.1 系统集成芯片的结构系统集成芯片的结构 6.1.1 引言引言 系统集成芯片系统集成芯片SOC以电子系统的系统功能为出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。系统功片或若干芯片上完成整个系统的功能。系统功能集成是能集成是SOC的核心技术。的核心技术。SOC不是以功能电路为基础的分布式系统的综不是以功能电路为基础的分布式系统的综合技术,而是以功能合
2、技术,而是以功能IP核为基础的系统模块和核为基础的系统模块和电路综合的技术。电路综合的技术。IP核是核是SOC应用的基础。嵌应用的基础。嵌入式系统是入式系统是SOC的基本结构。的基本结构。 所谓嵌入式系统是计算机应用的一种方式。在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,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,一般不能进行用户再编程。嵌入和软件工具,一般不能进行用户再编程。嵌入式系统
3、中软件的开发是通过交叉开发来完成的,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环境中,在没有人工干预的情况下进行实时运行。行。因此,嵌入式系统不再具有普通计算机的因此,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形态和功能,是一个大系统或大的电子设备的一部分。一部分。 嵌入式系统通常具有如下特点: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;完成
4、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,其运行一般不系统作为整个设备的一部分,其运行一般不需要人工干预;需要人工干预; (3) 具有高性能和实时处理的要求;具有高性能和实时处理的要求; (4) 具有良好的电磁兼容性。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,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标,也是现代电子系设计的必然趋势和最终目标,也是现代电子系统设计开发的最佳选择。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
5、可以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由全硬件电路完成,也可以由硬件和软件协同完成。成。 6.1.2 系统集成芯片的硬件结构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目前,系统集成芯片可分为两种类型一种是专用的一种是专用的SOC芯片,这类芯片是专用集成电路芯片,这类芯片是专用集成电路ASIC(Application Specific Integrate Circuits)向向系统级集成的自然发展。系统级集成的自然发展。 另一类是通用类型的另一类是通用类型的SOC芯片,在这类芯片,在这类SOC上,将绝上,将绝大部分部件,如大部分部件,如R
6、ISC处理器,处理器,DSP、RAM、接口电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。程逻辑资源和软件编程所需的资源。无论是专用无论是专用SOC还是通用还是通用SOC,它们在结构上都有相它们在结构上都有相似的特点,都是以嵌入式系统结构为基础,集软、硬似的特点,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。件于一体的系统级芯片。 通用类型通用类型SOC的结构的结构 DSP 系统逻辑和测试电路系统逻辑和测试电路 SRAMRISC处理器处理器混合信号接口电路混合信号接口电路 EPROM或或EEPROM
7、 可编程逻辑资源可编程逻辑资源 可可 构构 造造 存存 储储 器器加加密密逻逻辑辑专用硬件专用硬件 嵌入式处理器嵌入式处理器 片上片上RAM和和ROM 测试电路测试电路 接口电路接口电路加密逻辑加密逻辑嵌入式处理器嵌入式处理器 Reduced Instruction Set Computer (RISC)和和Complex Instruction Set Computer(CISC) CISC具有如下显著特点:具有如下显著特点:(1) 指令格式不固定,指令长度不一致,操作指令格式不固定,指令长度不一致,操作数可多可少;数可多可少;(2) 寻址方式复杂多样,以利于程序的编写;寻址方式复杂多样,以
8、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采用微程序结构,执行每条指令均需完成一个微指令序列;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,每条指令需要若干个机器周期才能完成,指令越复杂,花费的机器周期越多。指令越复杂,花费的机器周期越多。CISC 的的缺点缺点CISC所包含的为数众多的指令,其使用频度并所包含的为数众多的指令,其使用频度并不平衡。不平衡。微指令的结构限制了微指令的结构限制了CISC CPU速度的进一步提速度的进一步提高。高。 CISC结构不利于并行处理方法。结构不利于并行处理方法。 6.1.3 嵌入式软件嵌入式软件 有些有些SOC需要嵌入式实时
9、操作系统(需要嵌入式实时操作系统(Real Time Operational System,简称为简称为RTOS)的支持。的支持。嵌入式实时操作系统是计算机操作系统的技术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。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中的嵌入式精简指令集处理器器RISC 6.2.1 概述概述 ICffICP11式中,式中,P是微处理器的性能,是微处理器的性能,I是程序的指令集合,是程序的指令集合,C为每为每条指令的平均执行周期数,条指令的平均执行周期数,f为微处理器工作频率。为微处理器工作频率。 对于一个微处理器的
10、性能,可以由下式表示:对于一个微处理器的性能,可以由下式表示: 微处理器型号微处理器型号ICfPMotorola 68030 1.0 5.2 16.67 3.211Intel 80386 1.1 4.4 16.67 3.44 SPARC 1.2 1.3 16.67 10.69 6.2.2 RISC的定义与特点的定义与特点 RISC这个术语是由美国这个术语是由美国California大大Berkelay分校的分校的David Patterson于于1980年提出的,到年提出的,到了二十世纪九十年代,了二十世纪九十年代,RISC计算机获得了广计算机获得了广泛的应用。然而,泛的应用。然而,RISC又
11、是一种模糊的术语。又是一种模糊的术语。严格地说,严格地说,RISC既不是一种体系结构,也不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。本准则,或一种设计理想。1990年,年,Micheal Slater 18提出如下定义:提出如下定义: RISC处理器所具有的指令系统应有利于流水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线处理器的高效执行,并有利于优化编译器的代码生成。代码生成。 RISC处理器具有如下特点:处理器具有如下特点: 1.格式简单、长度固定的指令系统格式简单、长度固定
12、的指令系统 2. 短周期时间短周期时间 3. 单周期执行指令单周期执行指令 4. Load(取)取)/Store(存)结构存)结构 5. 硬连线控制硬连线控制 6. 大寄存器堆大寄存器堆(Register file) 7. 哈佛(哈佛(Harvard)总线结构总线结构 8. 高效的流水线操作高效的流水线操作 9. 延时转移延时转移 10. 重迭寄存器窗口技术重迭寄存器窗口技术 输入输入局部局部输出输出W1输入输入局部局部输出输出W2输入输入局部局部输出输出W3在在RISC处理器中,寄处理器中,寄存器堆采用窗口式结存器堆采用窗口式结构,这种结构特别适构,这种结构特别适合于过程调用,有利合于过程调
13、用,有利于参数传递。于参数传递。 11. 优化编译器优化编译器 二十世纪二十世纪70年代中期,年代中期,Stanford大学在研制大学在研制MIPS(Microprocessor without Intel locked Pipeline Stages)处理器时,即开始从事对处理器时,即开始从事对MIPS RISC编译器的优化编译编译器的优化编译技术的研究,以解决如何有效地利用技术的研究,以解决如何有效地利用RISC的硬件资源的硬件资源(如并行处理技术、寄存器堆、高速缓存等),充分挖(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;更合理地利用掘程序的并行性;更合理地利用RISC
14、体系结构所定义的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。寄存器,减少高速缓存和主存访问等。MIPS编译器的优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。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(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),其余部分益的功能用硬件实现
15、(从而包含这类指令),其余部分都用软件实现。所谓都用软件实现。所谓“精简精简”,并不是简单地减少,而,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。是保留经验证的能提高计算机性能的指令。RISC设计的设计的基本目的在于使计算机结构更加简单、更加合理、更加基本目的在于使计算机结构更加简单、更加合理、更加有效。有效。 6.2.3 RISC的指令特点的指令特点6.2.4 RISC的并行处理技术的并行处理技术 1. 流水线处理技术流水线处理技术取指取指译码译码执行执行 写写结果结果取指取指译码译码执行执行 写写结果结果取指取指译码译码执行执行 写写结果结果取指取指译码译码执行执行 写写结果
16、结果取指取指取指取指取指取指 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。相同,指令的执行时间应一致等。 超流水线技术超流水线技术 提高流水线处理效率的另一个方法是缩短机器周期。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
17、,从而提高计算机的性能。这种处理方式称为条指令,从而提高计算机的性能。这种处理方式称为超流水线处理技术。超流水线处理技术。 取指取指1 取指取指2 译码译码 执行执行取指取指3 3 取取指指4 4存贮存贮1 1 存贮存贮2 2译码译码 执行执行检查标志检查标志 写结果写结果存贮存贮3 存贮存贮4检查标志检查标志子子周周期期1子子周周期期2 2. 超标量处理技术超标量处理技术 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。用
18、流水线操作方式,一次发射多条指令。 取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 取指取指取指取指译码译码执行执行 写写结果结果取指取指译码译码执行执行 写写结果结果 3. VLIW处理技术处理技术 VLIW Very Long Instruction Word 相当长的机器指令字。相当长的机器指令字。VLIW处理器的指令字长可高达处理器的指令字长可高达几百比特,
19、而且指令所包含的字段是全正交的,彼此互几百比特,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不相关,故可控制多个功能部件。多执行部件多执行部件 全局多端口寄存器堆全局多端口寄存器堆功能功能部件部件功能功能部件部件功能功能部件部件功能功能部件部件指令指令定序器定序器指令存储器指令存储器6.2.5 RISC/DSP结构结构 在面向数字信号处理或者高速数据处理应用的在面向数字信号处理或者高速数据处理应用的SOC中,中,往往将往往将RISC处理器和处理器和DSP组合在一个芯片上,构成组合在一个芯片上,构成RISC/DSP结构。这种结构有两种形式。一种是将独结构。这种结构有两种形式
20、。一种是将独立的立的RISC处理器与独立的处理器与独立的DSP集成在一个芯片上,两集成在一个芯片上,两者的指令流和数据流分开。另一种形式是将者的指令流和数据流分开。另一种形式是将DSP按照按照RISC原则进行重新设计,使两者的指令流甚至数据流原则进行重新设计,使两者的指令流甚至数据流全部统一全部统一。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本的运算形式为:10)()()(NiinxihnyDSP的的基本运算是基本运算是累加乘。累加乘。CPU核与核与DSP各自独立各自独立 地址产生电路地址产生电路CPU核核运算电路运算电路时序控制
21、电路时序控制电路指令译码指令译码取指取指电路电路地址产生电路地址产生电路DSP核核运算电路运算电路时序控制电路时序控制电路指令译码指令译码取指取指电路电路CPU核与核与DSP核同指令流核同指令流但数据地址各自独立但数据地址各自独立地址产生电路地址产生电路CPU核核运算电路运算电路时序控制电路时序控制电路指令译码指令译码取指取指电路电路地址产生电路地址产生电路DSP核核运算电路运算电路指令译码指令译码CPU与与DSP同指令流、同地址同指令流、同地址 地址产生电路地址产生电路CPU核核运算电路运算电路时序控制电路时序控制电路指令译码指令译码取指取指电路电路DSP核核运算电路运算电路指令译码指令译码
22、6.2.6 RISC核的设计核的设计 RISC核的设计原则: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。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可扩展性:所有的数据结构和接口应能方便加入新的模块。的模块。 (3) 可综合性:处理器核的描述应该能够综合,以得到可综合性:处理器核的描述应该能够综合,以得到实际电路的实现。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。和性能分析。 (5) 分布性:
23、处理器的控制设计成分布式控制,便于指分布性:处理器的控制设计成分布式控制,便于指令集扩展和处理器适应新的应用要求。分布式控制主要令集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。负责流水级管理和每个流水级之间的状态通信。6.3 嵌入式处理器嵌入式处理器ARM的体系结构的体系结构6.3.1 概述概述 ARM处理器的性能及工作速度发展概况处理器的性能及工作速度发展概况 性能性能6.3.2 ARM7系列处理器系列处理器 ARM7系列处理器系列处理器 ARM7TDMI ARM7TDMI -S ARM7EJARM720TARM7核核ARMv4TThumb指令集指令
24、集嵌入式嵌入式ICE-RTETM7接口接口ARM7核核ARMv4TThumb指令集指令集嵌入式嵌入式ICE-RTETM7接口接口ARM7核核ARMv5TEJThumb指令集指令集嵌入式嵌入式ICE-RTETM9接口接口Jazelle扩充扩充DSP扩充扩充ARM7核核ARMv4TThumb指令集指令集嵌入式嵌入式ICE-RTETM7接口接口MMU8KB CacheAHB接口接口上述处理器产品中的后缀的意义如下:上述处理器产品中的后缀的意义如下: T 具有具有16位压缩指令集位压缩指令集Thumb。在在ARMv4中采用中采用Thumb v1版,在版,在ARMv5中采用中采用Thumb v2版。版。
25、 D 支持在片上调试(支持在片上调试(On Chip Debug),允许处理器响允许处理器响应调试暂停请求。片上调试,又称为应调试暂停请求。片上调试,又称为OCD,是是CPU芯片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。目前常用的持软硬件断点和跟踪。目前常用的OCD有有BDM(Background Debugging Mode)方式,方式,JTAG(Joint Tese Action Group)方式和方式和OnCE(On
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