第6章 SOC的体系结构.ppt

6.1 系统集成芯片的结构 6.1.1 引言 系统集成芯片SOC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。系统功能集成是SOC的核心技术。 SOC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IP核为基础的系统模块和电路综合的技术。IP核是SOC应用的基础。嵌入式系统是SOC的基本结构。 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，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和软件工具，一般不能进行用户再编程。嵌入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行。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一部分。 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； (2) 系统作为整个设备的一部分，其运行一般不需要人工干预； (3) 具有高性能和实时处理的要求； (4) 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，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，其系统功能可以由全硬件电路完成，也可以由硬件和软件协同完成。 6.1.2 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 一种是专用的SOC芯片，这类芯片是专用集成电路ASIC（Application Specific Integrate Circuits）向系统级集成的自然发展。 另一类是通用类型的SOC芯片，在这类SOC上，将绝大部分部件，如RISC处理器，DSP、RAM、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程逻辑资源和软件编程所需的资源。 无论是专用SOC还是通用SOC，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、硬件于一体的系统级芯片。 通用类型SOC的结构 嵌入式处理器 Reduced Instruction Set Computer (RISC)和Complex Instruction Set Computer(CISC） CISC具有如下显著特点： (1)??? 指令格式不固定，指令长度不一致，操作数可多可少； (2)??? 寻址方式复杂多样，以利于程序的编写； (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，指令越复杂，花费的机器周期越多。 CISC 的缺点 CISC所包含的为数众多的指令，其使用频度并不平衡。 微指令的结构限制了CISC CPU速度的进一步提高。 CISC结构不利于并行处理方法。 6.1.3 嵌入式软件 有些SOC需要嵌入式实时操作系统（Real Time Operational System，简称为RTOS）的支持。 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。 6.2 SOC中的嵌入式精简指令集处理器RISC 6.2.1 概述 6.2.2 RISC的定义与特点 RISC这个术语是由美国California大Berkelay分校的David Patterson于1980年提出的，到了二十世纪九十年代，RISC计算机获得了广泛的应用。然而，RISC又是一种模糊的术语。严格地说，RISC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本准则，或一种设计理想。1990年，Micheal Slater [18]提出如下定义： RISC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代码生成。 RISC处理器具有如下特点： 1.格式简单、长度固定的指令系统 2. 短周期时间 3. 单周期执行指令 4. Load（取）/Store（存）结构 5. 硬连线控制 6. 大寄存器堆(Register file) 7. 哈佛（Harvard）总线结构 8. 高效的流水线操作 9. 延时转移 10. 重迭寄存器窗口技术 二十世纪70年代中期，Stanford大学在研制MIPS（Microprocessor without Intel locked Pipeline Stages）处理器时，即开始从事对MIPS RISC编译器的优化编译技术的研究，以解决如何有效地利用RISC的硬件