嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC 研究内容

嵌入式操作系统及Linux结课作业题目嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC 研究内容系别信息工程系专业电气工程及其自动化学生姓名学号2012 年12 月 1 日目录1嵌入式处理器介绍 (1)2 嵌入式处理器的种类 (1)2.1嵌入式微处理器 (1)2.2嵌入式DSP处理器 (2)2.3嵌入式微控制器 (2)2.4嵌入式片上系统 (3)3嵌入式片上系统SoC 研究内容 (3)3.1总线架构技术 (3)3.2 IP核可复用技术 (4)3.3 可靠性设计技术 (4)3.4 软硬件协同设计技术 (4)3.5 芯片综合/时序分析技术 (4)3.6 SoC验证技术 (5)3.7 可测性/ 可调试性设计技术 (5)3.8 低功耗设计技术 (5)3.9 新型电路实现技术 (5)3.10 嵌入式软件移植/开发 (5)4嵌入式片上系统SoC分类 (6)4.1 CSoC 技术特点 (6)4.2 SoPC 技术特点 (7)4.3 ASIC SoC 技术特点 (7)5嵌入式片上系统SoC 技术发展方向 (9)5.1计算机学科提升SoC 技术水平 (9)5.2 SoC推动计算机体系结构发展 (9)5.3 SoC开创了交叉学科发展的新天地 (10)6结束语 (11)参考文献 (11)嵌入式处理器的种类及其片上系统SoC 研究内容摘要当前在微电子及其应用领域正在发生一场前所未有的变革这场变革是由片上系统 SoC 技术研究应用和发展引起的。

从技术层面看，SoC技术是超大规模集成电路发展的必然趋势和主流，它以超深亚微米VDSM （Very Deep Submicron ）工艺和知识产权IP核复用技术为支撑。

关键字 SoC，集成电路，VDSM1嵌入式处理器介绍自微处理器的问世以来，嵌入式系统得到了飞速的发展，嵌入式处理器毫无疑问是嵌入式系统的核心部分,嵌入式处理器直接关系到整个嵌入式系统的性能。

通常情况下嵌入式处理器被认为是对嵌入式系统中运算和控制核心器件总的称谓。

世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。

鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。

目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。

2 嵌入式处理器的种类2.1嵌入式微处理器嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用计算机中的CPU 演变而来的。

它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。

但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。

2.2嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。

在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。

MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。

随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。

其运算速度比MPU 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。

到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。

90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。

最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

2.3嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。

单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。

微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU 和兼容系列。

目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。

近来Atmel出产的Avr 单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。

2.4嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip) ：SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。

SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。

用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。

少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。

SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

3嵌入式片上系统SoC 研究内容尽管SoC 沿CSoC、SoPC、ASIC SoC这三个方向发展，但最具挑战性的还是ASIC SoC研究领域。

SoC 设计方法学主要研究总线架构技术、IP 核可复用技术、可靠性设计技术、软硬件协同设计技术、SoC 设计验证技术、芯片综合/ 时序分析技术、可测性/ 可调试性设计技术、低功耗设计技术、新型电路实现技术等，此外还要做操作系统/ 嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。

3.1总线架构技术总线结构及互连技术，直接影响芯片总体性能发挥。

对于单一应用领域，可选用成熟的总线架构；对于系列化或综合性能要求很高的，可进行深入的体系结构研究，构建各具特色的总线架构，做精做强，不受制于第三方，与系统同步发展，更具竞争力。

目前 SoC 开发研制主要有基于平台（包括自主构建总体架构）、基于核、基于合成等方法，不断推出性能更好、扩展性更强的总线规范，如AXI 总线（AMBA总线升级）、L*BUS总线（中科院计算所）等。

3.2 IP核可复用技术IP 核一般分为硬核、软核和固核三种，硬核是指经过预先布局且不能由系统设计者修改的 IP 核，软核通常以HDL语言形式提交，固核由RTL 的描述和可综合的网表组成。

IP 核可复用的研究重点是开发适应多种总线接口的规范和可测试性一体化，以尽量少的外包和测试向量，达到复用目的。

IP 核应有良好的开发文档和参考手册，包括数据手册、用户使用指南、仿真和重用模型等，而兼容性是重要的因素。

3.3 可靠性设计技术由于SoC 由多级总线组成，每一总线上含有多个设备（IP 核）, 如何确保整个芯片能正常运转十分重要，必须考虑防“死锁”机制和“解锁”机制，即使某一设备（IP 核）瘫痪了，不致影响整个芯片其他功能发挥。

此外随着超深亚微米技术发展，对总线传输的可靠性提出了严重挑战，必须研究容错机制和故障恢复机制。

3.4 软硬件协同设计技术由于市场和设计风险的压力，SoC 软硬件协同设计尤为重要。

改进软硬件协同说明、协同分析、协同设计、协同模拟和协同验证，可大大减少硬件设计风险和缩短嵌入式软件的开发调试时间。

同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中所存在的致命问题，避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。

3.5 芯片综合/时序分析技术由于SoC 系统复杂度和规模愈来愈大，像多时钟、多电压以及超深亚微米等新课题不断出现，对SoC 的综合性研究提出了更高的要求。

尤其对时序预算如何分级、分解，关键路径的特殊约束的研究，要求研究人员具有深厚的系统背景知识。

与此同时，静态时序分析（STA）日趋复杂、后端动态仿真效率低下，对总体设计人员提出了严峻的挑战。

3.6 SoC验证技术主要分IP 核验证、IP 核与总线接口兼容性验证和系统级验证等三个层次，包括设计概念验证、设计实现验证、设计性能验证、故障模拟、芯片测试等；从验证类型分，有兼容性测试、边角测试、随机测试、真实码测试、回归（Regression）测试和断言验证等。

由于芯片愈来愈复杂，软件仿真开销大，硬件仿真验证成为一种重要的验证手段。

验证工作约占整个设计工作的70% ，如何提高验证覆盖率和验证效率是设计验证的永恒话题。

3.7 可测性/ 可调试性设计技术主要研究解决批生产可测性问题和在线可调试性问题，实施技术包括DFT、SCAN 、BIST、Iddq、JTAG/eJTAG，要研究基于各种IP 核的SoC 测试架构和测试向量有效传递性，更重要的是要考虑测试平行化，降低芯片测试占用时间，此外要关注在线调试工作，方便用户开发和调试基于SoC 的产品。