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，VDSM

1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。

3.8 低功耗设计技术

低功耗已经成为与面积和性能同等重要的设计目标，因此精确评估功耗也成为重要问题。芯片功耗主要由跳变功耗、短路功耗和泄漏功耗组成。降低功耗要从SoC 多层次立体角度研究电路实现工艺、输入向量控制（IVC）技术、多电压技术、功耗管理技术以及软件（算法）低功耗利用技术等多方面综合解决问题。

3.9 新型电路实现技术

由于晶体管数急剧增加、芯片尺寸日益变小、密度不断增大、IP 核可重用频度提高、低电压、多时钟、高频率、高可测性、新型高难度封装等要求的出现以及新工艺/ 新设计技术层出不穷，半导体工艺特征尺寸向深亚微米发展，要求SoC 设计师不断研究新工艺、新工具，研究关键电路架构、时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。

3.10 嵌入式软件移植/开发

主要研究开发SoC 的BIOS和嵌入式操作系统移植/ 开发，要支持多任务，要使程序开发变得更加容易，系统的稳定性、可靠性得到更好提高，要便于维护，易读易懂，要具有安全性好、健壮性强、代码执行效率高等特点。如对SoC 片内进行嵌入式Linux操作系统代码的植入研究，可减轻系统开发者基于BSP开发的难度，同时提高开发效率，缩短开发周期。

4嵌入式片上系统SoC分类

SoC 产品和技术不断发展，但在SoC 分类上业界还未形成主流看法，本文将其归类为CSoC、SOPC 和ASIC SoC等三大类，然后统一到SoC 体系结构分类模型中。

4.1 CSoC 技术特点

CSoC一般由处理器、存储器、基于 ASIC的核和片上可重构的部件（专用化）等构成，相对 ASIC SoC和基于标准组件多芯片板级开发而言具有明显优势，其特征为：

（1）CPU+可重构处理构件

（2）效率与灵活性很好结合在一起

（3）基于重构确定处理功能

（4）在图像处理、模式匹配等方面优于超级计算机

（5）根据任务需要可动态重构，提高性价比

目前学术界对可动态重构的高效处理件XPP （eXtreme Processing Platform）比较关注。XPP 是在一个以基于某种总线架构的微处理器核为核心的SoC 中嵌入可编程逻辑模块，构成可重构的SoC 平台，如图 1 所示。适用的可重构数据处理架构往往由处理阵列单元（PEA）、面向通信网包、层次化的重构管理树（CM）和I/O模块等构成。XPP具有自动重构流和处理数据流，突破了传统的冯.诺依曼指令流模式。由于高度规整化，很容易获得指令级平行性和流水线效率。Triscend 公司就选用了CSoC技术路线。

4.2 SoPC 技术特点

SoPC是一种特殊的片上系统，是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在线系统开发中可编程的功能，结合了SoC 和FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：

（1）至少包含一个以上的嵌入式处理器IP 核

（2）具有小容量片内高速RAM资源

（3）丰富的IP 核资源可供灵活选择

（4）足够的片上可编程逻辑资源

（5）处理器调试接口和FPG A 编程接口共用或并存

（6）可能包含部分可编程模拟电路

SoPC结构框图如图2 所示。除了上述特点外，还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SoPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具；而在应对复杂设计方面，诸如Xilinx公司的System Generator for DSP 就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。

4.3 ASIC SoC 技术特点

ASIC SoC 是一种面向特定应用的片上系统，具有高性能、强实时、高可靠、低功耗、低成本化等特点，一般具备以下基本特征：

（1）至少有一个以上的CPU 核

（2）具有规范的总线架构（如AMBA）

（3）具有RAM资源（或片上访存控制器）

（4）具有适量的I/O 设备（包括模拟的）

（5）具有可扩展的接口（如PCI）

（6）具有可在线调试口（eJTAG ）

（7）具有可测试性电路

ASIC SoC 一般是基于IP 核或SoC 开发平台的产品，需要专门技术、IP 库、SoC 总线架构和嵌入式软件支持（包括BIOS、OS），需要广泛的多功能IP 核和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术，以满足客户产品开发的需求。SoC 设计者通过重用证明了的IP 核，不仅利用了最新工艺技术优势，而且减少了开发周期和风险。

目前SoC 总线架构有很多种，如IBM 公司的Core C o nn ec t 、ARM的AMBA 、Silicore公司的Wi shbone、MIPS技术公司的SOC-it 和CoreFram 等。可喜的是国内也有许多自主知识产权的总线架构，如L*BUS（中科院计算所，如图3 所示）,C*BUS （苏州国芯）等。每一种总线架构都是为满足其特定应用领域的要求而发展起来的。有些适合低端嵌入式产品，有些适合手持产品，有些适合高能性产品，各有自己的优势。SoC 的发展离不开功耗、性能、成本、可测性、可靠性、IP 核可复用性、平台技术支持性和软硬件协同开发性等方面制约。需要开发者具有强大的计算机体系结构背景知识，才能支持其得到快速发展。

5嵌入式片上系统SoC 技术发展方向

SoC 的概念从20世纪90年后期提出后，技术得到快速发展。不论是CSoC、SoPC还是ASIC So C ，与计算机学科、微电子学、材料与工艺学、电子通信等日益关联，它们的交叉学科发展为SoC 的技术发展提供了强有力的支持。

5.1计算机学科提升SoC 技术水平

冯. 诺依曼体系结构（以程序和数据合一为特征）和数据流体系结构（以程序和数据分离为特征）是计算机的主流体系结构。通用计算机的微小型化，为SoC 技术发展提供了源泉。所谓“今天的PCB 板就是明天的SoC ”，是很好的脚注。

计算机领域的总线架构技术、算法实现技术、模块化设计技术、BIOS技术、软件工程技术、软硬件调试技术、系统验证技术、性能评估技术、实时处理技术、可靠性设计技术、人机交互技术、负载平衡技术和低功耗设计技术等等无不反映到SoC 设计技术中，也促使 SoC 能在几年内迅猛发展起来，成为后PC时代的计算机主要发展方向之一。

SoC 技术发展尽管与工艺发展和 EDA设计手段的提高有很大关系，但其核心是CPU 核、总线架构和各种IP 核。在总体性能评估和实现技术上，无不与计算机专业领域相关。尤其在高端应用领域，如多 CPU 核集成和异构型集成等系统需求，计算机学科会继续从不同层面推动SoC 的技术发展。

5.2 SoC推动计算机体系结构发展

SoC 技术发展与市场需求紧密相关。SoC 的主要应用领域有计算机、通信、消费类电子、工控、交通运输等。在SoC 的销售额中通信类、计算机类和消费类占 80% 以上，消费类所占比重在不断增长。

进一步细分SoC 市场，计算机类有图像处理、硬盘驱动、高档打印机、个人助理等；通信类有有线网、无线网、手机、可视设备、通信基站等；消费类有数字电视、DVD、STB 、数码相机等；工控类有过程控制/ 处理、测试/ 仪表、医疗设备、监控系统等；交通运输类有引擎控制、仪表装置、安全系统等。SoC 市场规模的日益扩大，在信息技术和电子产品领域的地位越来越重要。

现在SoC 市场上基本以中低档的SoC 产品为主。随着数字化产品需求日益旺盛，对高端SoC 的需求日益迫切，如在音视频、通信等领域，对SoC 提出了更高要求，需要双核、四核等多核集成。SoC 在中高档方面将取代传统意义上的

CPU ，向系统性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、开发更容易方向发展，满足人们以GUI屏幕为中心的多媒体界面与信息终端交互需求，如手写文字输入、身份识别、语音拨号上网、收发电子邮件、视频播放、网络游戏、可视电话、语言同声翻译等。SoC 将嵌入32位、64 位RISC芯片或数字信号处理芯片（DSP）等增强型处理器件，同时支持嵌入式RTOS发展，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，继承和发展计算机处理器技术。所有这些都对计算机体系结构提出了更大挑战。

SoC 在计算机体系结构学科引领下，将迎来新一轮技术大发展，以嵌入式系统应用为核心，集软、硬件于一体，并在系统集成中追求产品系统最大包容性。SoC 芯片设计不仅需要较强的计算机体系结构背景知识，而且突显了软件开发的地位，对开发平台和嵌入式操作系统提出了更高的要求，为计算机专业人员提供了大显身手的广阔天地。

随着国内外处理器/IP 核设计技术快速发展，为计算机体系结构学科发展提供了强大的推动力。坚持开发拥有自主产权的处理器核、核心IP 核和总线架构，又保证兼容性+ ，将使我国SoC 发展具有强大的竞争力，从而带动国内IC 产业往深度、广度方向发展。针对工业界的需求 SoC 设计人员在构令流、指令流和数据流等体系结构方面的深入研究，也会为计算机学科发展做出重大贡献。

5.3 SoC开创了交叉学科发展的新天地

SoC 是需要多种学科支持的新兴技术领域。它的发展已离不开计算机学科、微电子学、材料与工艺学、电子通信等领域的技术支持，新技术新产品会不断涌现，需求不断牵引对SoC 做更深入的研究。

目前的SoC 技术发展主要在同种工艺层面上实现，以电子技术为主。但在实际应用中，对微小型化和系统集成技术不断提出新的更高需求，发展集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统已经提到议事日程，把微电子和微机械结合的MEMS 将成为SoC 发展的新基础。MEMS 也是多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科与技术。

系统集成最大的优势在于继承和发展各种工艺技术带来的好处。各种工艺发展极不平衡，在系统集成过程中当需要多种工艺并存时，可借助SiP（System in Package ）设计技术，把不同工艺的各种集成电路如CMOS 电路、GaAs电路、SiGe 电路或者光电子器件、MEMS 器件以及各类无源元件如电容、电感等集成到一个封装体内，在单一封装里实现更复杂系统, 在封装效率、性能和可靠性方面可

提高 10 倍左右，尺寸和成本都可以大幅度下降。

SoC 的技术发展趋势将是 SoC 、MEMS 和SiP 这三者技术融合，计算机体系结构不断得到丰富发展。SoC 的CDI分类模型能刻画系统技术发展，满足更复杂系统的单一芯片化需求，同时推动多学科交叉发展。

6结束语

面对集成电路向SoC 的转型，我国实现集成电路设计业跨越式发展的一个历史机遇正在来临。我国应优先发展芯片设计业。应该加强吸收与培养各相关领域，如光、机、电等学科的人才，不断改善SoC 研究队伍组织结构，加强跨学科的SoC 综合技术研讨，积极沟通观念、信息与技术，通过跨学科的相互交融，从战略高度培养 SoC 复合型人才。有国内大市场作为依托，只要整合好资源优势，我国芯片产业的发展水平不仅可向世界看齐，而且有可能引领高端芯片设计的发展方向。

SoC 必将与MEMS 、SiP 相融合，在很多应用领域将“吃掉”（取代）微机，也必将导致又一次以系统集成芯片为特色的信息技术革命，21世纪初期将是 SoC 技术真正快速发展的时期。

参考文献

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[2] 张志敏，SoC 与计算机学科发展，《高技术通讯》，2004.增刊

[3]TI 发布频率高达1.5GHz的嵌入式处理器，IC交易网 [引用日期2012-010-11]

[4]嵌入式系统的特点和分类，西安科技大学网 [引用日期2012-010-11]

[5]Steve Berry ，SYSTEM-ON-CHIP MARKETS AND TRENDS , California, U.S.A., Electronic Trend

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[6] Jurgen Becker, Martin V orbach, Architecture, Memory and Interface Technology Integration of an

Industrial/ Academic Configurable System-on-Chip(CSoC),