專(zhuān)用 SoC 的設計與應用

第30卷第6期商丘師范學(xué)院學(xué)報Vol 30 No 62014年6月JOURNAL OF SHANGOIU NORMAL UNIVERSITYJune. 2014專(zhuān)用SoC的設計與應用李長(cháng)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(zhuān)用SoC從需求分析到芯片設計以及產(chǎn)品應用的整個(gè)過(guò)程,詳細說(shuō)明了怎樣通過(guò)需求分析來(lái)確定SC的硬件框架、硬件選型、電路設計、產(chǎn)品實(shí)現及產(chǎn)品應用.使讀者能通過(guò)這篇文章了解SC的定義、設計過(guò)程、設計中的關(guān)鍵技術(shù)、硬件電路搭建以及電子產(chǎn)品轉仳,讓讀者對SC有詳細的、全面的認識關(guān)鍵詞:SoC;C;MCU中圖分類(lèi)號:TP3.56文獻標識碼:A文章編號: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(zhù)大規模集成電路lC( Integrated Circuit)的高速發(fā)展,其應用越來(lái)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(lái)越少,在MCU基礎上發(fā)展起來(lái)的片上系統SoC( System on Chip)應用越來(lái)越廣.SoC片上系統狹義講,是信息系統核心的芯片集成,是將系統關(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,通常是客戶(hù)定制的,或者面向特定用途的標準產(chǎn)品.目前,SoC已經(jīng)發(fā)展成為影響力越來(lái)越大的行業(yè)專(zhuān)用SoC的設計過(guò)程C的定義內容主要包含兩個(gè)方面:①S0C的架構構成,②S0C的設計過(guò)程.系統級SoC的構成如圖1,它包含:系統級芯片控制邏輯模塊、MCU內核模塊、數字信號處理器υsP(υ igital signal processiπg(shù))模、冇儲器模塊、通訊接口模塊、模擬前端模塊(含模數轉換ADC模數轉換υλC)、電源提供和功耗管理模塊,射頻前端模塊、用戶(hù)自定乂邏輯和微電子機楲模塊.這是soC的基本硬件構成僅有硬件的SoC芯片無(wú)法應用,必須嵌人基本軟件模塊(芯片操作系統)或可載入的用戶(hù)軟件.SoC芯片設計內涵包括三部分:①基于單片集成系統的軟硬件協(xié)同設計和驗證;②P核生成及復用技術(shù);③超深亞微米、納米集成電路的設計理論和技術(shù)2專(zhuān)用SoC的硬件設計2.1功能分析市場(chǎng)上有一類(lèi)產(chǎn)品都有類(lèi)似的功能例如電子教育類(lèi)產(chǎn)品休閑H中國煤化工CNMHG放、顯示輸出、大量數據處收稿日期:2013-12-11;修回日期:2014-02-13基金項目:蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究項目(No:WZ[2013]jⅳl3);安徽省信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)群教學(xué)團隊(2013jxtd051);安徽省校企合作實(shí)踐教育基地(20125d047)作者簡(jiǎn)介:李長(cháng)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的硏究商丘師范學(xué)院學(xué)報2014年理、日歷時(shí)間等功能,圖2是這些需求功能圖,這些功能都有相應的硬件與其對應.圖3為對應的硬件框圖.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(wú)線(xiàn)通信和模擬前端模塊ADC.如果以此硬件為基礎,設計一款SoC,應該有較好的市場(chǎng)前景模擬前端模塊系統級芯片控制邏輯模塊通訊接口模塊音樂(lè )播放顯示輸出電源提供和功耗管理模塊MCU內核模塊存儲器模塊大量數據處理日歷時(shí)間用戶(hù)自定義邏輯和DSP模塊射頻前端模塊微電子機械模塊圖2需求功能圖圖1S0C的基本構成在圖3中,MCU提供監控所有的其它模塊,電源和功耗管理提供穩定能量,ADC模塊用于支持觸摸屏輸入,無(wú)線(xiàn)通信用于產(chǎn)品和PC及之間進(jìn)行數據通信,RTC為用戶(hù)提供時(shí)間基準,USB提供大量數據的存儲,LCD提供顯示硬件.按這樣的架構,就可以設計針對上述產(chǎn)品的專(zhuān)用SoC2.2硬件設計功能設計完成后,可以依據功能將SoC劃分為相應功能模塊,并決定實(shí)現這些功能將要使用的成熟穩定電路.本文論述產(chǎn)品的硬件設計如圖4,從圖4可以看出整個(gè)硬件的設計思路.選擇MCU,能夠達到控制管理總線(xiàn)功能就可以,設計者可以選擇8位機,也可以選擇16位或32位機;MP3解壓DSP掛在MCU的總線(xiàn)上,通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行數據交換;USB模塊針對大數據存儲操作,它本身是雙功USB,既可以讀USB,也可以當U盤(pán)使用;選擇的USB芯片掛在總線(xiàn)上.無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇藍牙性?xún)r(jià)比較高,把藍牙芯片掛在總線(xiàn)上對于A(yíng)DC模塊,作者選擇12位的模數轉換器供用戶(hù)使用,也掛在總線(xiàn)上.電源MCURTC電源及功耗管理模擬前端模塊ADC無(wú)線(xiàn)通信控制器解碼實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTCMCU接口A(yíng)DC線(xiàn)USBMPS解碼LCD控制器無(wú)線(xiàn)接口通信圖3需求硬件功能圖圖4硬件連接的總線(xiàn)圖2.3邏輯綜合確定各個(gè)硬件模塊的設計描述后,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(guò)程中,需要選擇適當的邏輯器件庫( Logic cell library),作為合成邏輯電路時(shí)的數據參考依據.正確的邏輯器件庫,才可能分析出正確的結果2.4門(mén)級驗證開(kāi)始芯片設計風(fēng)險較高,所以要求對電路仔細驗證.把MCU、MP3、USB、RTC、藍牙選擇好了之后,要進(jìn)行門(mén)級功能驗證門(mén)級功能驗證是寄存器傳輸級驗證.要確認經(jīng)綜合后的電路是不是IP3模塊驅動(dòng)符合功能需求,該工作一般利用門(mén)電路級驗證工具完成.此階段仿真需要認真考慮門(mén)電路的延遲2.5布局和布線(xiàn)ADC模塊驅動(dòng)布局指將設計好的功能模塊合理地安排在芯片上,規劃好它們的位置.在本設計中,把MCU、MP3、USB、RT℃、藍牙等電路模塊排好位置;使它們要好的抗干擾性和穩定性.位置放好之RTC模塊驅動(dòng)后,完成它們之間的連線(xiàn)注意,各模塊之間的連線(xiàn)有的比較長(cháng),長(cháng)線(xiàn)影響SoC的性能,尤其在0.25μm制程以上,這種現象更需要注意TH中國煤化工藍牙模塊驅動(dòng)CNMHG3專(zhuān)用SoC的軟件設計結束圖5驅動(dòng)硬件的軟件流程SoC的軟件設計要以硬件為基礎,有一部分軟件只為硬件服務(wù).所以SC在硬件設計時(shí)就要考慮對應的軟件設計圖5為驅動(dòng)硬件的軟件流程.從圖5中可以看出,開(kāi)發(fā)者要對毎一個(gè)功能電路進(jìn)行驅動(dòng)圖6為要開(kāi)發(fā)的軟件構成圖,MCU的運行架構要參考相應的芯片手冊,針對該芯片的向量表來(lái)構建運行機制.各類(lèi)硬件驅動(dòng)是驅動(dòng)每第6期李長(cháng)波:專(zhuān)用SoC的設計與應用個(gè)選擇的硬件模塊,使它能正常地工作起來(lái),包括MP3解碼芯片的驅動(dòng)、USB的驅動(dòng)、LCD的驅動(dòng)等.關(guān)于操作系統,要根據MCU的資源和速度,量力而行,如果資源速度足夠,可以選擇開(kāi)源的Os,如LNUX,當然,開(kāi)發(fā)者要熟悉該系統.如果資源速度不夠,可以自己寫(xiě)一個(gè)小內核,以支撐后面的應用軟件的開(kāi)發(fā).SoC的應用軟件面向用戶(hù),它是某一類(lèi)專(zhuān)用的軟件,如步進(jìn)電機驅動(dòng)的SoC,應用程序就是步進(jìn)電機的驅動(dòng)程序;學(xué)習機的SC,應用程序就是和學(xué)習相關(guān)的軟件,如電子詞典、各種學(xué)習的語(yǔ)音播放等.4專(zhuān)用SoC的應用專(zhuān)用SoC是針對某一類(lèi)應用而設計的方案,如果只把裸的硬件或者只帶操作系統的硬件推薦給用戶(hù),肯定打不開(kāi)市場(chǎng).所以,做這類(lèi)產(chǎn)品一定是一個(gè)成熟的產(chǎn)品方案,用戶(hù)行架構只要修改相應的名稱(chēng)和圖標就可以推出產(chǎn)品.本設計針對某類(lèi)學(xué)習產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)如兒童各類(lèi)硬件驅動(dòng)早教類(lèi)語(yǔ)音玩具,播放簡(jiǎn)單的兒童故事、唐詩(shī)宋詞、數字人門(mén)、三字經(jīng)等在S0C的開(kāi)發(fā)設操作系統計前,一定先要考慮好應用,沒(méi)有應用前景的方案沒(méi)有意義.應用軟件5結語(yǔ)本篇文章介紹了專(zhuān)用SoC應用的需求分析、功能構成分析、產(chǎn)品功能規劃、硬件功能圖6軟件構成圖設計、軟件功能設計、應用方案推出六個(gè)方面.讓用戶(hù)對SoC應用的整個(gè)過(guò)程有了詳細的了解.從整個(gè)介紹過(guò)程來(lái)看,專(zhuān)用SoC設計技術(shù)含量很高,屬于高投入高產(chǎn)出的行業(yè)參考文獻[1]華清遠.從實(shí)踐中學(xué)嵌入式 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baidu,om/ew/131608[3]王福成基于云計算的高校教學(xué)資源整合研究[J.福建電腦,2011(2):33-34[4]閻雙.云計算技術(shù)在高校教學(xué)資源整合中的應用[J].遼寧師專(zhuān)學(xué)報,2012,14(2):43【責任編輯:徐明忠】