系统芯片与片上通信结构
微处理器系统结构与嵌入式系统设计答案(精)
第二章习题答案
2.2完成下列Biblioteka 辑运算(1101+1.01 = 110.01
(21010.001-10.1 = 111.101
(3-1011.0110 1-1.1001 = -1100.1111 1
A.编译过程(解释并执行过程花费时间短
B.占用内存少
C.比较容易发现和排除源程序错误
D.编译结果(目标程序执行速度快
2.5通常使用逻辑运算代替数值运算是非常方便的。例如,逻辑运算AND将两个位组合的方法同乘法运算一样。哪一种逻辑运算和两个位的加法几乎相同?这样情况下会导致什么错误发生?
逻辑运算OR和两个位的加法几乎相同。问题在于多个bit的乘或加运算无法用AND或OR运算替代,因为逻辑运算没有相应的进位机制。
D.原码和反码
(4单纯从理论出发,计算机的所有功能都可以交给硬件实现。而事实上,硬件只
实现比较简单的功能,复杂的功能则交给软件完成。这样做的理由是( BCD。
A.提高解题速度
B.降低成本
C.增强计算机的适应性,扩大应用面
D.易于制造
(5编译程序和解释程序相比,编译程序的优点是( D ,解释程序的优点是( C。
主要部件包括:产生程序地址的程序计数器,存储指令的指令寄存器,解释指令的控制逻辑,存放数据的通用寄存器堆,以及执行指令的ALU等几个主要部分构成。
3.13什么是微代码体系结构?微指令的作用是什么?
在微码结构中,控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统。控制信号存放在一个微程序内存中,指令执行过程中的每一个时钟周期,处理器从微程序内存中读取一个控制字作为指令执行的控制信号并输出。
三种片上总线的分析与比较
三种常用SoC片上总线的分析与比较作者：李瑞张春元罗莉来源：国防科技大学发表时间：2006-02-22内容摘要随着集成电路设计技术的发展，在片上系统（SoC）中，越来越多地使用各种功能IP核部件构成系统。
总线是这些部件连接的主要方式，目前有数家公司和组织研发了多种面向SoC设计的总线系统。
本文介绍SoC中常用的三种片上总线AMBA、Wishbone和Avalon，分析和比较其特性，并针对其不同的特点阐述其使用范围。
引言 嵌入式系统是当今计算机工业发展的一个热点。
随着超大规模集成电路的迅速发展，半导体工业进入深亚微米时代，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，可以在单芯片上集成上百万到数亿只晶体管。
如此密集的集成度使我们现在能够在一小块芯片上把以前由CPU和若干I/O接口等数块芯片实现的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、完整的系统，这就是我们通常所说的片上系统SoC （System on Chip）。
由于功能完整，SoC逐渐成为嵌入式系统发展的主流。
相比板上系统，具有许多优点：SoC ①充分利用IP技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时间； ②单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗； ③减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性； ④减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处理的速度； ⑤内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。
SoC的设计过程中，最具特色的是IP复用技术。
即选择所需功能的IP（给出IP定义）核，集成到一个芯片中用。
由于IP核的设计千差万别，IP核的连接就成为构造SoC的关键。
片上总线（On-Chip Bus，OCB）是实现SoC中IP核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现IP核之间数据通信。
与板上总线不同，片上总线不用驱动底板上的信号和连接器，使用更简单，速度更快。
一个片上总线规范一般需要定义各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中驱动、时序、策略等关系。
SOC设计中的片上通信体系结构研究
龙源期刊网
ＳＯＣ设计中的片上通信体系结构研究
作者：王光
来源：《现代电子技术》2009年第17期
摘要：以超深亚微米工艺和IP核复用技术为支撑的系统芯片(SOC)技术，是目前超大规模集成电路和嵌入式电子产品设计的主流。
SoC中各IP核之间的片上通信体系结构是SoC设计关键技术之一，同时对SoC的性能起着至关重要的作用。
提出一种SoC中的混合片上通信体系结构，该体系结构将传统的共享总线与片上网络相结合，既保留了片上共享总线面积小的优点，又具有片上网络的并行通信的优点。
此外，该混合片上通信还可以扩展到二维网络。
关键词：SoC；体系结构；交叉开关；IP核复用；并行通信。
关于 HIC、MCM、SIP 封装与 SOC 的区别及工艺分析
0 引言随着国防军工、计算机和汽车电子产业的发展，电子产品和系统要求实现功能强、性能优、体积小、重量轻之特性，从当前电子产品及芯片发展的技术领域来考虑，实现该功能的电子产品有两种方式：其一，从芯片设计角度出发，依赖于 SoC 片上系统芯片设计及制造技术的发展和推进；其二，从芯片封装技术的角度考虑，依赖于近年来逐步发展和成熟起来的先进封装技术的支持。
SoC（System on Chip）片上系统是芯片研发人员研究的主方向。
它是将多个功能模块进行片上系统设计，进而形成一个单芯片电子系统，实现电子产品小型化、多功能、高可靠的特征需求，是芯片向更高层次发展的终极目标；但是，SoC 片上系统需要多个功能模块工艺集成，同时涉及各功能模块电路的信号传输和处理，技术要求高，研发周期长，开发成本高，无法满足电子产品升级换代的快速更新。
基于以上产品需求，在混合集成电路 HIC（Hybrid integrated circuit）封装技术基础上，MCM（Multi-Chip Module）及 SIP （System in package）等微电子封装技术逐渐在此方向上获得突破，在牺牲部分面积等指标的情况下，形成单一的封装“芯片”，并且可快速实现相同功能的芯片量产，推动产品快速上市。
本文将介绍 SoC 片上系统的优势和产品快速更新需求的矛盾，为解决此矛盾，从封装技术角度出发，给出微电子封装技术发展的 3 个关键环节，即HIC、MCM 及 SIP，介绍了其各自封装技术的优缺点，阐释了 HIC、MCM 及 SIP 的相互关系，最终分析形成一套基本满足 SOC 片上系统功能且可快速开发组装形成批量产能的 SIP 封装技术，快速实现电子产品整机或系统的芯片级更新需求。
1 SoC 片上系统分析SoC 即系统级芯片，从狭义的角度讲，SoC 是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义的角度讲，SoC 是一个微小型系统。
IP核介绍
IP核设计【摘录】摘要：从IP开发和集成两个方面入手，重点阐述了IP的基本特征，IP的设计流程及设计中的关键技术，IP集成的一般考虑及集成的关键技术，IP模块的评估与选择等，并探讨了国内IP技术发展的一些思路。
1 引言芯片设计业正面临着一系列的挑战：系统芯片SoC（System-on-a-Chip）已经成为IC业界的焦点，芯片性能越来越强，规模越来越大，开发周期越来越长，设计质量越来越难于控制，芯片设计成本越来越趋于高昂。
这种情形很像计算机界所面临的问题：计算机硬件处理能力飞速发展，而软件设计却受到越来越多的挑战，设计规模上不去，设计质量难于控制，设计周期无限延长……。
正是这种状况，导致了软件设计方法学在开放性、可移植性、面向等方面的深刻变革。
如今的软件工程，已经成为一门博大精深的科学，有很多系统的方法值得芯片设计业学习和借鉴。
根植于软件业面向设计模式的IP技术被认为是最有前途的方案，以解决当今芯片设计工业界所面临的难题。
本文从IP开发和集成两个方面入手，重点阐述了IP的基本特征，IP的设计流程及设计中的关键技术，IP集成的一般考虑及集成的关键技术，IP模块的评估与选择等，并探讨了国内IP技术发展的一些思路。
2 IP开发2.1 IP的基本特征IP的本质特征是可重用性，其通常必然满足以下基本特征：一是通用性好，二是正确性有100％的保证，三是可移植性好。
通用性好是指IP的功能在某一应用领域广泛通用，IP 的实现一般满足子功能可配置、甚至可编程的特点，如最常见的IP嵌入式CPU模块就具有非常好的通用性。
正确性有百分之百的保证是指IP的实现严格遵守一系列的可重用设计开发规范，IP的验证用例具有完备性，功能覆盖率、测试覆盖率都能够达到100％；并能够完全覆盖IP工作的临界条件，提供相应的大流量测试、随机性测试、甚至能够提供软硬件协同仿真的测试环境等。
可移植性好是指IP的实现如行为描述、网表、GDSII文件具有可移植性，其设计输入可以在不同的开发平台上重现；综合用批处理文件具有可移植性，IP的综合结果可以用不同的综合工具，在不同的综合库条件下正确重现；仿真用测试用例可重用，测试环境可以很方便的重现，IP的验证可以用不同的仿真器，在不同的仿真库条件下重现。
嵌入式系统中的片上系统设计与实现技术
嵌入式系统中的片上系统设计与实现技术嵌入式系统是指将计算机技术与各种应用领域相结合，嵌入到具体的产品或设备中，并且能够完成特定任务的一种计算机系统。
在嵌入式系统中，片上系统（SoC）被广泛应用。
片上系统是指将计算机核心、存储系统、通信接口、外设、调度器等功能集成到一个芯片上，形成一个完整的计算机系统。
片上系统设计与实现技术是嵌入式系统开发中的核心内容，具有重要意义。
下面将详细介绍一些嵌入式系统中的片上系统设计与实现技术。
1. 硬件设计技术：片上系统的硬件设计是整个系统的基础，包括处理器核心的选择与设计、存储系统的设计、通信接口的设计、外设的设计等。
在选择处理器核心时，需要考虑功耗、性能、可编程性等因素；在设计存储系统时，需要根据应用需求选择合适的存储器类型，如RAM、Flash等，并合理设计存储器的组织结构；在设计通信接口时，需要根据数据传输的要求选择合适的接口类型，如UART、SPI、I2C等；在外设的设计中，需要根据具体应用需求选择适当的传感器、执行器等外设。
2. 软件设计技术：片上系统的软件设计是指针对具体应用需求，为系统开发相应的软件。
软件设计包括编写驱动程序、编写嵌入式操作系统、编写应用软件等。
在编写驱动程序时，需要充分了解硬件的特性和功能，充分利用硬件资源，提高系统性能；在编写嵌入式操作系统时，需要选择合适的操作系统，如Linux、RTOS等，并为系统开发相应的设备驱动程序和应用服务；在编写应用软件时，需要根据具体应用需求，设计相应的算法和实现。
3. 片上系统的布局与布线技术：片上系统中，各个功能模块需要相互连接，完成数据传输与处理。
布局与布线技术是指将各个模块在芯片上合理排布，并设计合理的连线。
在布局时，需要考虑各个功能模块之间的连接关系，尽量减少信号传输的路径长度，降低传输时延和功耗；在布线时，需要根据信号传输的特性，选择合适的线宽和线距，保证信号传输的质量。
4. 功耗优化技术：在嵌入式系统中，功耗是一个重要的性能指标。
集成电路的片上系统集成与设计技术手段
集成电路的片上系统集成与设计技术手段集成电路（IC）是现代电子设备的核心组成部分，它通过将大量的微小电子元件，如晶体管、电阻、电容等，集成在一块小的硅片上，实现了复杂的功能。
随着科技的快速发展，集成电路的功能越来越强大，片上系统（System-on-Chip, SoC）的概念应运而生。
片上系统集成与设计技术手段成为集成电路领域的重要研究方向。
1. 片上系统集成片上系统集成是指将整个系统或多个系统集成在一块集成电路芯片上，从而实现各种功能。
这种集成方式可以大大缩小系统的体积，降低功耗，提高性能和可靠性。
SoC的集成度可以从简单的微处理器核心和几块模拟电路，到复杂的包含多个处理器核心、图形处理单元、数字信号处理器、存储器、接口等全功能系统。
2. 设计技术手段为了实现高集成度的片上系统，设计人员需要采用多种先进的设计技术手段：2.1 硬件描述语言（HDL）硬件描述语言是用于描述电子系统结构和行为的语言，如Verilog和VHDL。
通过使用HDL，设计人员可以在抽象层次上描述整个系统，而无需关心底层电路的具体实现。
这使得设计人员能够更加专注于系统的功能和性能，提高设计效率。
2.2 库和IP核心在片上系统集成过程中，利用已有的库和IP（Intellectual Property）核心可以大大缩短设计周期。
库提供了常用的模块，如乘法器、加法器等；IP核心则是预先设计好的模块，如处理器核心、DSP核心等。
通过复用这些模块和核心，设计人员可以快速构建复杂的片上系统。
2.3 综合和布局规划综合是将HDL描述转换为底层电路的过程。
在这个过程中，综合工具会考虑电路的性能、面积和功耗等因素，自动选择合适的电路实现。
布局规划则是确定电路在芯片上的位置和连接关系，其目标是优化电路的性能和功耗，同时满足面积和制造要求。
2.4 仿真和验证在设计过程中，需要进行多次仿真和验证，以确保设计的正确性和可靠性。
仿真是在软件层面上模拟电路的行为，验证则是通过测试芯片来验证电路的功能和性能。
电脑芯片分析中的片上网络设计与实现
电脑芯片分析中的片上网络设计与实现电脑芯片是现代科技的重要组成部分，它们在计算机领域的发展起到了举足轻重的作用。
而在电脑芯片的制造过程中，片上网络的设计与实现是一个关键环节。
本文将深入探讨片上网络的设计原理、实现方式以及相关技术的发展。
一、片上网络的设计原理片上网络是指在一个芯片上实现的网络结构，它由一系列的逻辑电路和通信结点组成，可以用来连接芯片上的不同功能模块。
片上网络的设计原理主要包括以下几个方面：1.1 芯片组成和模块划分在设计片上网络之前，首先需要对芯片进行整体的组成和模块划分。
芯片通常由处理器核心、存储器、输入输出接口等功能模块组成。
通过对芯片功能的分析和划分，可以确定片上网络需要连接的模块以及通信的需求。
1.2 网络拓扑结构的选择在设计片上网络时，需要选择合适的网络拓扑结构。
常见的网络拓扑结构包括总线结构、网络结构和集成结构等。
每种拓扑结构都有其自身的特点和适用范围，根据芯片的功能需求和性能要求，选择合适的拓扑结构对于片上网络的设计非常重要。
1.3 路由算法的设计片上网络的设计离不开路由算法的选择和设计。
路由算法决定了数据在网络中的传输路径，直接影响网络的性能和吞吐量。
在选择路由算法时，需要考虑网络的拓扑结构、数据通信的可靠性和效率等因素，以及芯片本身的资源和功耗限制。
二、片上网络的实现方式片上网络的实现方式多种多样，主要包括硬件实现和软硬件结合实现两种方式。
2.1 硬件实现硬件实现是指将片上网络的功能直接实现在芯片硬件中。
这种实现方式具有低时延、高并发和高可靠性的特点，但相对而言比较复杂和耗费资源。
硬件实现可以采用专用电路的方式，例如使用交换网络来实现。
另外，硬件实现还可以使用配置逻辑单元（FPGA）等可编程硬件设备来实现。
2.2 软硬件结合实现软硬件结合实现是指将片上网络的部分功能通过软件来实现，而将主要的数据通信等关键功能实现在硬件中。
这种实现方式兼顾了硬件实现的性能优势和软件实现的灵活性。
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从模块2
译码 逻辑
从模块3
if addr[31:28] == 4’b0011
devsel = 0;
else
devsel = 1;
《微型计算机原理》
36
PCI总线：DEVSEL信号
《微型计算机原理》
37
PCI总线的分布式译码
为什么要采用“分布式译码”？ 如何实现“分布式译码”？
9
芯片封装技术举例
PGA(Pin Grid Array)
引脚网格阵列
《微型计算机原理》
10
芯片封装技术举例
BGA(Ball Grid Array)
球栅阵列
《微型计算机原理》
11
主要内容
一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展
《微型计算机原理》
endcase
译码器
从模块 1
从模块 2
从模块 3
选中
《微型计算机原理》
35
总线译码方式（2）
分布式译码
1.发出地址 主模块1
if addr[31:28] == 4’b0001 devsel = 0;
else devsel = 1;
译码 逻辑
从模块1
PCI总线
主模块2
2.自己声明 译码 被选中 逻辑
12
微处理器芯片的集成度不断提高
内存条 （主存/DRAM ）
显示器 键盘
显卡
PCI-E插槽 键盘插口
CPU
内存接口控制器
北桥芯片
PCI-E接口控制器
ROM接口控制器
南桥芯片
键盘接口控制器
内 存 条 插 槽
BIOS芯片 （ROM）
《微型计算机原理》
13
系统芯片实例
《微型计算机原理》
14
《微型计算机原理》
《微型计算机原理》
2
晶圆（Wafer）
12英寸晶圆
2/4/6/8英寸晶圆
18英寸晶圆 2013~2015年?
《微型计算机原理》
3
芯片制造过程示意
晶圆 Wafer
裸片 Die
芯片 Chip
《微型计算机原理》
4
微连接技术举例
引线键合（Wire-bonding）
Die
Wire
《微型计算机原理》
5
微连接技术举例
26
C/BE信号的命令模式说明
《微型计算机原理》
27
总线标准对比
4、规程特性 • 对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明
PCI总线
AHB总线
基本读传输 基本写传输
单个读传输 单个写传输
配置读传输 配置写传输
突发读传输 突发写传输
《微型计算机原理》
28
AHB总线：单个数据的传输
主模块 发出地址
15
单芯片计算机方案
《微型计算机原理》
16
单芯片计算机方案和传统南北桥方案
《微型计算机原理》
17
主要内容
一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展
《微型计算机原理》
18
系统总线和片上总线的位置
系统总线
片上总线
《微型计算机原理》
19
系统总线和片上总线实例
倒装片（Flip-chip）
1
2
3
4
5
《微型计算机原理》
6
《微型计算机原理》
7
芯片封装技术举例
TSOP(Thin Small Outline Package)
薄型小尺寸封装
《微型计算机原理》
8
芯片封装技术举例
QFP(Quad Flat Package)
四侧引脚扁平封装
《微型计算机原理》
未准 备好
从模块 采样地址
未准 备好
准备好
主模块采样读数据
《微型计算机原理》
29
AHB总线：4个数据的突发传输
传输开始 主模块忙 传输进行中 地址总线空闲
INCR4
IDLE
地址递增的4个数据的传输
《微型计算机原理》
30
PCI总线：基本的读传输
《微型计算机原理》
31
PCI总线：基本的写传输
《微型计算机原理》
系统总线的实例
PCI总线 Intel公司制定
片上总线的实例
AHB总线 ARM公司制定
《微型计算机原理》
20
一个包含AHB和PCI总线的系统实例
微处 理器
M
仲裁器
存储 控制器
S
M: 主模块接口 S: 从模块接口
译码器
AHB总 线 PCI总线
仲裁器
M 总线 S
桥接器
S
M
M 以太网 S 控制器
平、噪声容限及负载能 力等
PCI总线
AHB总线
《微型计算机原理》
24
总线标准对比
3、功能特性 • 给出各总线信号的名称及功能定义
REQ GNT FRAME IRDY C/BE[3:0] AD[31:0] DEVSEL TRDY …
PCI总线
HREQ
AHB总线
HGRANT
HTRANS[1:0]
HBURST[2:0]
32
C/BE信号的命令模式说明
《微型计算机原理》
33
总线译码方式（1）
集中式译码
1.发出地址 主模块1
AHB总 线
主模块2
译码器
从模块1 从模块2 从模块3
《微型计算机原理》
34
总线译码方式（1）
集中式译码（电路图）
主模块 1
地址和控制
主模块 2
读数据2] ) 4’b0000: sel1 = 1 ; 4’b0001: sel2 = 1 ; 4’b0010: sel3 = 1 ; ...
HSIZE[2:0]
HADDR[31:0]
HWDATA[31:0]
HSEL
HREADY
HRDATA[31:0]
…
《微型计算机原理》
25
PCI总线多功能信号说明
AD[31:0]
A：Address D：Data
C/BE[3:0]
C：Command BE：Byte Enable
《微型计算机原理》
主要内容
一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构
教材相关章节： 《微型计算机基本原理与应用（第二版）》
第14章 总线及总线标准 第7章 微处理器的内部结构及外部功能特性
《微型计算机原理》
1
主要内容
一、芯片的制造和封装 二、系统芯片 三、系统总线和片上总线 四、片上通信结构新发展
《微型计算机原理》
21
总线标准的内容
1、机械特性 • 规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等 2、电气特性 • 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等 3、功能特性 • 给出各总线信号的名称及功能定义 4、规程特性 • 对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明
《微型计算机原理》
22
总线标准对比
1、机械特性
• 规定模块插件的机械尺 寸，总线插头、插座的 规格及位置等
2、电气特性 • 规定总线信号的逻辑电
平、噪声容限及负载能 力等
PCI总线
AHB总线
《微型计算机原理》
23
总线标准对比
1、机械特性
• 规定模块插件的机械尺 寸，总线插头、插座的 规格及位置等
2、电气特性 • 规定总线信号的逻辑电