系統(tǒng)集成芯片

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1、第六章系統(tǒng)集成芯片的體系結(jié)構(gòu)6.1系統(tǒng)集成芯片的結(jié)構(gòu)6.1.1引言系統(tǒng)集成芯片SOC以電子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能為出發(fā)點(diǎn)，把系統(tǒng)模型、處理機(jī)制、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，在單片或若干芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)功能集成是SOC的核心技術(shù)。SOC不是以功能電路為基礎(chǔ)的分布式系統(tǒng)的綜合技術(shù)，而是以功能IP核為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模塊和電路綜合的技術(shù)。IP核是SOC應(yīng)用的基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結(jié)構(gòu)。所謂嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一種方式。在嵌入式系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)硬件和軟件結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)專門的計(jì)算

2、裝置，這種計(jì)算裝置設(shè)有普通計(jì)算機(jī)所提供的那些許多便利的用戶接口和軟件工具，一般不能進(jìn)行用戶再編程。嵌入式系統(tǒng)中軟件的開發(fā)是通過(guò)交叉開發(fā)來(lái)完成的，即開發(fā)環(huán)境和實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境是不同的。嵌入式系統(tǒng)工作在與外界發(fā)生交互并受到時(shí)間約束的環(huán)境中，在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)不再具有普通計(jì)算機(jī)的形態(tài)和功能，是一個(gè)大系統(tǒng)或大的電子設(shè)備的一部分。嵌入式系統(tǒng)通常具有如下特點(diǎn)：(1)完成單一或一組緊密相關(guān)的特定功能；(2)系統(tǒng)作為整個(gè)設(shè)備的一部分，其運(yùn)行一般不需要人工干預(yù)；(3)具有高性能和實(shí)時(shí)處理的要求

3、；(4)具有良好的電磁兼容性。SOC以嵌入式系統(tǒng)為核心，集軟、硬件于一體，并追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成，是微電子領(lǐng)域IC設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)和最終目標(biāo)，也是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的最佳選擇。SOC是一種系統(tǒng)級(jí)集成芯片，其系統(tǒng)功能可以由全硬件電路完成，也可以由硬件和軟件協(xié)同完成。6.1.2系統(tǒng)集成芯片的硬件結(jié)構(gòu)目前，系統(tǒng)集成芯片可分為兩種類型一種是專用的SOC芯片，這類芯片是專用集成電路ASIC（ApplicationSpecificIntegrateCircuits）向系統(tǒng)級(jí)集成的自然發(fā)展。另一類是通用類型的SO

4、C芯片，在這類SOC上，將絕大部分部件，如RISC處理器，DSP、RAM、接口電路等集成在芯片上，同時(shí)提供用戶設(shè)計(jì)所需要的可編程邏輯資源和軟件編程所需的資源。無(wú)論是專用SOC還是通用SOC，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上都有相似的特點(diǎn)，都是以嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集軟、硬件于一體的系統(tǒng)級(jí)芯片。通用類型SOC的結(jié)構(gòu)DSP系統(tǒng)邏輯和測(cè)試電路SRAMRISC處理器混合信號(hào)接口電路EPROM或EEPROM可編程邏輯資源可構(gòu)造存儲(chǔ)器加密邏輯專用硬件嵌入式處理器片上RAM和ROM測(cè)試電路接口電路加密邏輯嵌入式處理器ReducedIns

5、tructionSetComputer(RISC)和ComplexInstructionSetComputer(CISC）CISC具有如下顯著特點(diǎn)：(1)指令格式不固定，指令長(zhǎng)度不一致，操作數(shù)可多可少；(2)尋址方式復(fù)雜多樣，以利于程序的編寫；(3)采用微程序結(jié)構(gòu)，執(zhí)行每條指令均需完成一個(gè)微指令序列；(4)每條指令需要若干個(gè)機(jī)器周期才能完成，指令越復(fù)雜，花費(fèi)的機(jī)器周期越多。CISC的缺點(diǎn)CISC所包含的為數(shù)眾多的指令，其使用頻度并不平衡。微指令的結(jié)構(gòu)限制了CISCCPU速度的進(jìn)一步提高。CISC結(jié)構(gòu)不利于

6、并行處理方法。6.1.3嵌入式軟件有些SOC需要嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RealTimeOperationalSystem，簡(jiǎn)稱為RTOS）的支持。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。6.2SOC中的嵌入式精簡(jiǎn)指令集處理器RISC6.2.1概述式中，P是微處理器的性能，I是程序的指令集合，C為每條指令的平均執(zhí)行周期數(shù)，f為微處理器工作頻率。對(duì)于一個(gè)微處理器的性能，可以由下式表示：微處理器型號(hào)ICfPMotorola680301.05.216.673.211Intel8038

7、61.14.416.673.44SPARC1.21.316.6710.696.2.2RISC的定義與特點(diǎn)RISC這個(gè)術(shù)語(yǔ)是由美國(guó)California大Berkelay分校的DavidPatterson于1980年提出的，到了二十世紀(jì)九十年代，RISC計(jì)算機(jī)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，RISC又是一種模糊的術(shù)語(yǔ)。嚴(yán)格地說(shuō)，RISC既不是一種體系結(jié)構(gòu)，也不是一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，而只是一種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，或一種設(shè)計(jì)理想。1990年，MichealSlater[18]提出如下定義：RISC處理器所具有的指令系統(tǒng)應(yīng)有利

8、于流水線處理器的高效執(zhí)行，并有利于優(yōu)化編譯器的代碼生成。RISC處理器具有如下特點(diǎn)：1.格式簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度固定的指令系統(tǒng)2.短周期時(shí)間3.單周期執(zhí)行指令4.Load（?。?Store（存）結(jié)構(gòu)5.硬連線控制6.大寄存器堆(Registerfile)7.哈佛（Harvard）總線結(jié)構(gòu)8.高效的流水線操作9.延時(shí)轉(zhuǎn)移10.重迭寄存器窗口技術(shù)輸入局部輸出W1輸入局部輸出W2輸入局部輸出W3在RISC處理器中，寄存器堆采用窗口式結(jié)構(gòu)，這種