第30卷第6期商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)Vol 30 No 62014年6月JOURNAL OF SHANGOIU NORMAL UNIVERSITYJune. 2014專用SoC的設(shè)計(jì)與應(yīng)用李長(zhǎng)波(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽蕪湖2410000摘要:論述了專用SoC從需求分析到芯片設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品應(yīng)用的整個(gè)過程,詳細(xì)說明了怎樣通過需求分析來確定SC的硬件框架、硬件選型、電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)及產(chǎn)品應(yīng)用.使讀者能通過這篇文章了解SC的定義、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)、硬件電路搭建以及電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)仳,讓讀者對(duì)SC有詳細(xì)的、全面的認(rèn)識(shí)關(guān)鍵詞:SoC;C;MCU中圖分類號(hào):TP3.56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3600(2014)06-0057-03Design and application of special SocLI ChangboInformation Engineering College, Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, ChinaAbstract: This paper discusses the special Soc the whole process from demand analysis to the chip design andproduct application, a detailed description of how the needs analysis to determine the hardware frame, hardwarelection, circuit design of SoC, product realization and application. So that readers can through this article tounderstand the definition of SoC, its design process, the key technology in the design of hardware circuitselectronic products and transformation, let the reader know detailed, comprehensive to SoCKey words: SoC i IC MCU0引言隨著大規(guī)模集成電路lC( Integrated Circuit)的高速發(fā)展,其應(yīng)用越來越深人我們的日常生活,通用的MCU( Micro controlUnit)作為分離元件使用越來越少,在MCU基礎(chǔ)上發(fā)展起來的片上系統(tǒng)SoC( System on Chip)應(yīng)用越來越廣.SoC片上系統(tǒng)狹義講,是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上;廣義上講,SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng),通常是客戶定制的,或者面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品.目前,SoC已經(jīng)發(fā)展成為影響力越來越大的行業(yè)專用SoC的設(shè)計(jì)過程C的定義內(nèi)容主要包含兩個(gè)方面:①S0C的架構(gòu)構(gòu)成,②S0C的設(shè)計(jì)過程.系統(tǒng)級(jí)SoC的構(gòu)成如圖1,它包含:系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、MCU內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器υsP(υ igital signal processiπg(shù))模、冇儲(chǔ)器模塊、通訊接口模塊、模擬前端模塊(含模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換υλC)、電源提供和功耗管理模塊,射頻前端模塊、用戶自定乂邏輯和微電子機(jī)楲模塊.這是soC的基本硬件構(gòu)成僅有硬件的SoC芯片無法應(yīng)用,必須嵌人基本軟件模塊(芯片操作系統(tǒng))或可載入的用戶軟件.SoC芯片設(shè)計(jì)內(nèi)涵包括三部分:①基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;②P核生成及復(fù)用技術(shù);③超深亞微米、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)2專用SoC的硬件設(shè)計(jì)2.1功能分析市場(chǎng)上有一類產(chǎn)品都有類似的功能例如電子教育類產(chǎn)品休閑H中國(guó)煤化工CNMHG放、顯示輸出、大量數(shù)據(jù)處收稿日期:2013-12-11;修回日期:2014-02-13基金項(xiàng)目:蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(No:WZ[2013]jⅳl3);安徽省信息技術(shù)專業(yè)群教學(xué)團(tuán)隊(duì)(2013jxtd051);安徽省校企合作實(shí)踐教育基地(20125d047)作者簡(jiǎn)介:李長(zhǎng)波(1967-),男,吉林人,蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師,講師,碩士,主要從事嵌亼式系統(tǒng)的硏究商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)2014年理、日歷時(shí)間等功能,圖2是這些需求功能圖,這些功能都有相應(yīng)的硬件與其對(duì)應(yīng).圖3為對(duì)應(yīng)的硬件框圖.硬件包括:MCUMP3解碼、LCD控制器、USB接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC以及通用的硬件,如電源及功耗管理、無線通信和模擬前端模塊ADC.如果以此硬件為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一款SoC,應(yīng)該有較好的市場(chǎng)前景模擬前端模塊系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊通訊接口模塊音樂播放顯示輸出電源提供和功耗管理模塊MCU內(nèi)核模塊存儲(chǔ)器模塊大量數(shù)據(jù)處理日歷時(shí)間用戶自定義邏輯和DSP模塊射頻前端模塊微電子機(jī)械模塊圖2需求功能圖圖1S0C的基本構(gòu)成在圖3中,MCU提供監(jiān)控所有的其它模塊,電源和功耗管理提供穩(wěn)定能量,ADC模塊用于支持觸摸屏輸入,無線通信用于產(chǎn)品和PC及之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,RTC為用戶提供時(shí)間基準(zhǔn),USB提供大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),LCD提供顯示硬件.按這樣的架構(gòu),就可以設(shè)計(jì)針對(duì)上述產(chǎn)品的專用SoC2.2硬件設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)完成后,可以依據(jù)功能將SoC劃分為相應(yīng)功能模塊,并決定實(shí)現(xiàn)這些功能將要使用的成熟穩(wěn)定電路.本文論述產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)如圖4,從圖4可以看出整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)思路.選擇MCU,能夠達(dá)到控制管理總線功能就可以,設(shè)計(jì)者可以選擇8位機(jī),也可以選擇16位或32位機(jī);MP3解壓DSP掛在MCU的總線上,通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;USB模塊針對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作,它本身是雙功USB,既可以讀USB,也可以當(dāng)U盤使用;選擇的USB芯片掛在總線上.無線通信模塊選擇藍(lán)牙性價(jià)比較高,把藍(lán)牙芯片掛在總線上對(duì)于ADC模塊,作者選擇12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器供用戶使用,也掛在總線上.電源MCURTC電源及功耗管理模擬前端模塊ADC無線通信控制器解碼實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTCMCU接口ADC線USBMPS解碼LCD控制器無線接口通信圖3需求硬件功能圖圖4硬件連接的總線圖2.3邏輯綜合確定各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)描述后,可以使用邏輯綜合工具進(jìn)行綜合分析.通常的綜合工具是 Synthesizer.綜合過程中,需要選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?kù)( Logic cell library),作為合成邏輯電路時(shí)的數(shù)據(jù)參考依據(jù).正確的邏輯器件庫(kù),才可能分析出正確的結(jié)果2.4門級(jí)驗(yàn)證開始芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)較高,所以要求對(duì)電路仔細(xì)驗(yàn)證.把MCU、MP3、USB、RTC、藍(lán)牙選擇好了之后,要進(jìn)行門級(jí)功能驗(yàn)證門級(jí)功能驗(yàn)證是寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證.要確認(rèn)經(jīng)綜合后的電路是不是IP3模塊驅(qū)動(dòng)符合功能需求,該工作一般利用門電路級(jí)驗(yàn)證工具完成.此階段仿真需要認(rèn)真考慮門電路的延遲2.5布局和布線ADC模塊驅(qū)動(dòng)布局指將設(shè)計(jì)好的功能模塊合理地安排在芯片上,規(guī)劃好它們的位置.在本設(shè)計(jì)中,把MCU、MP3、USB、RT℃、藍(lán)牙等電路模塊排好位置;使它們要好的抗干擾性和穩(wěn)定性.位置放好之RTC模塊驅(qū)動(dòng)后,完成它們之間的連線注意,各模塊之間的連線有的比較長(zhǎng),長(zhǎng)線影響SoC的性能,尤其在0.25μm制程以上,這種現(xiàn)象更需要注意TH中國(guó)煤化工藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)CNMHG3專用SoC的軟件設(shè)計(jì)結(jié)束圖5驅(qū)動(dòng)硬件的軟件流程SoC的軟件設(shè)計(jì)要以硬件為基礎(chǔ),有一部分軟件只為硬件服務(wù).所以SC在硬件設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)圖5為驅(qū)動(dòng)硬件的軟件流程.從圖5中可以看出,開發(fā)者要對(duì)毎一個(gè)功能電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)圖6為要開發(fā)的軟件構(gòu)成圖,MCU的運(yùn)行架構(gòu)要參考相應(yīng)的芯片手冊(cè),針對(duì)該芯片的向量表來構(gòu)建運(yùn)行機(jī)制.各類硬件驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)每第6期李長(zhǎng)波:專用SoC的設(shè)計(jì)與應(yīng)用個(gè)選擇的硬件模塊,使它能正常地工作起來,包括MP3解碼芯片的驅(qū)動(dòng)、USB的驅(qū)動(dòng)、LCD的驅(qū)動(dòng)等.關(guān)于操作系統(tǒng),要根據(jù)MCU的資源和速度,量力而行,如果資源速度足夠,可以選擇開源的Os,如LNUX,當(dāng)然,開發(fā)者要熟悉該系統(tǒng).如果資源速度不夠,可以自己寫一個(gè)小內(nèi)核,以支撐后面的應(yīng)用軟件的開發(fā).SoC的應(yīng)用軟件面向用戶,它是某一類專用的軟件,如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的SoC,應(yīng)用程序就是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序;學(xué)習(xí)機(jī)的SC,應(yīng)用程序就是和學(xué)習(xí)相關(guān)的軟件,如電子詞典、各種學(xué)習(xí)的語音播放等.4專用SoC的應(yīng)用專用SoC是針對(duì)某一類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的方案,如果只把裸的硬件或者只帶操作系統(tǒng)的硬件推薦給用戶,肯定打不開市場(chǎng).所以,做這類產(chǎn)品一定是一個(gè)成熟的產(chǎn)品方案,用戶行架構(gòu)只要修改相應(yīng)的名稱和圖標(biāo)就可以推出產(chǎn)品.本設(shè)計(jì)針對(duì)某類學(xué)習(xí)產(chǎn)品而開發(fā)如兒童各類硬件驅(qū)動(dòng)早教類語音玩具,播放簡(jiǎn)單的兒童故事、唐詩(shī)宋詞、數(shù)字人門、三字經(jīng)等在S0C的開發(fā)設(shè)操作系統(tǒng)計(jì)前,一定先要考慮好應(yīng)用,沒有應(yīng)用前景的方案沒有意義.應(yīng)用軟件5結(jié)語本篇文章介紹了專用SoC應(yīng)用的需求分析、功能構(gòu)成分析、產(chǎn)品功能規(guī)劃、硬件功能圖6軟件構(gòu)成圖設(shè)計(jì)、軟件功能設(shè)計(jì)、應(yīng)用方案推出六個(gè)方面.讓用戶對(duì)SoC應(yīng)用的整個(gè)過程有了詳細(xì)的了解.從整個(gè)介紹過程來看,專用SoC設(shè)計(jì)技術(shù)含量很高,屬于高投入高產(chǎn)出的行業(yè)參考文獻(xiàn)[1]華清遠(yuǎn).從實(shí)踐中學(xué)嵌入式 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