专用 SoC 的设计与应用

第30卷第6期商丘师范学院学报Vol 30 No 62014年6月JOURNAL OF SHANGOIU NORMAL UNIVERSITYJune. 2014专用SoC的设计与应用李长波(芜湖职业技术学院信息工程学院,安徽芜湖2410000摘要:论述了专用SoC从需求分析到芯片设计以及产品应用的整个过程,详细说明了怎样通过需求分析来确定SC的硬件框架、硬件选型、电路设计、产品实现及产品应用.使读者能通过这篇文章了解SC的定义、设计过程、设计中的关键技术、硬件电路搭建以及电子产品转仳,让读者对SC有详细的、全面的认识关键词:SoC;C;MCU中图分类号:TP3.56文献标识码:A文章编号: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引言随着大规模集成电路lC( Integrated Circuit)的高速发展,其应用越来越深人我们的日常生活,通用的MCU( Micro controlUnit)作为分离元件使用越来越少,在MCU基础上发展起来的片上系统SoC( System on Chip)应用越来越广.SoC片上系统狭义讲,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;广义上讲,SoC是一个微小型系统,通常是客户定制的,或者面向特定用途的标准产品.目前,SoC已经发展成为影响力越来越大的行业专用SoC的设计过程C的定义内容主要包含两个方面:①S0C的架构构成,②S0C的设计过程.系统级SoC的构成如图1,它包含:系统级芯片控制逻辑模块、MCU内核模块、数字信号处理器υsP(υ igital signal processiπg)模、冇储器模块、通讯接口模块、模拟前端模块(含模数转换ADC模数转换υλC)、电源提供和功耗管理模块,射频前端模块、用户自定乂逻辑和微电子机楲模块.这是soC的基本硬件构成仅有硬件的SoC芯片无法应用,必须嵌人基本软件模块(芯片操作系统)或可载入的用户软件.SoC芯片设计内涵包括三部分:①基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;②P核生成及复用技术;③超深亚微米、纳米集成电路的设计理论和技术2专用SoC的硬件设计2.1功能分析市场上有一类产品都有类似的功能例如电子教育类产品休闲H中国煤化工CNMHG放、显示输出、大量数据处收稿日期:2013-12-11;修回日期:2014-02-13基金项目:芜湖职业技术学院教学研究项目(No:WZ[2013]jⅳl3);安徽省信息技术专业群教学团队(2013jxtd051);安徽省校企合作实践教育基地(20125d047)作者简介:李长波(1967-),男,吉林人,芜湖职业技术学院工程师,讲师,硕士,主要从事嵌亼式系统的硏究商丘师范学院学报2014年理、日历时间等功能,图2是这些需求功能图,这些功能都有相应的硬件与其对应.图3为对应的硬件框图.硬件包括:MCUMP3解码、LCD控制器、USB接口、实时时钟RTC以及通用的硬件,如电源及功耗管理、无线通信和模拟前端模块ADC.如果以此硬件为基础,设计一款SoC,应该有较好的市场前景模拟前端模块系统级芯片控制逻辑模块通讯接口模块音乐播放显示输出电源提供和功耗管理模块MCU内核模块存储器模块大量数据处理日历时间用户自定义逻辑和DSP模块射频前端模块微电子机械模块图2需求功能图图1S0C的基本构成在图3中,MCU提供监控所有的其它模块,电源和功耗管理提供稳定能量,ADC模块用于支持触摸屏输入,无线通信用于产品和PC及之间进行数据通信,RTC为用户提供时间基准,USB提供大量数据的存储,LCD提供显示硬件.按这样的架构,就可以设计针对上述产品的专用SoC2.2硬件设计功能设计完成后,可以依据功能将SoC划分为相应功能模块,并决定实现这些功能将要使用的成熟稳定电路.本文论述产品的硬件设计如图4,从图4可以看出整个硬件的设计思路.选择MCU,能够达到控制管理总线功能就可以,设计者可以选择8位机,也可以选择16位或32位机;MP3解压DSP挂在MCU的总线上,通过总线进行数据交换;USB模块针对大数据存储操作,它本身是双功USB,既可以读USB,也可以当U盘使用;选择的USB芯片挂在总线上.无线通信模块选择蓝牙性价比较高,把蓝牙芯片挂在总线上对于ADC模块,作者选择12位的模数转换器供用户使用,也挂在总线上.电源MCURTC电源及功耗管理模拟前端模块ADC无线通信控制器解码实时时钟RTCMCU接口ADC线USBMPS解码LCD控制器无线接口通信图3需求硬件功能图图4硬件连接的总线图2.3逻辑综合确定各个硬件模块的设计描述后,可以使用逻辑综合工具进行综合分析.通常的综合工具是 Synthesizer.综合过程中,需要选择适当的逻辑器件库( Logic cell library),作为合成逻辑电路时的数据参考依据.正确的逻辑器件库,才可能分析出正确的结果2.4门级验证开始芯片设计风险较高,所以要求对电路仔细验证.把MCU、MP3、USB、RTC、蓝牙选择好了之后,要进行门级功能验证门级功能验证是寄存器传输级验证.要确认经综合后的电路是不是IP3模块驱动符合功能需求,该工作一般利用门电路级验证工具完成.此阶段仿真需要认真考虑门电路的延迟2.5布局和布线ADC模块驱动布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上,规划好它们的位置.在本设计中,把MCU、MP3、USB、RT℃、蓝牙等电路模块排好位置;使它们要好的抗干扰性和稳定性.位置放好之RTC模块驱动后,完成它们之间的连线注意,各模块之间的连线有的比较长,长线影响SoC的性能,尤其在0.25μm制程以上,这种现象更需要注意TH中国煤化工蓝牙模块驱动CNMHG3专用SoC的软件设计结束图5驱动硬件的软件流程SoC的软件设计要以硬件为基础,有一部分软件只为硬件服务.所以SC在硬件设计时就要考虑对应的软件设计图5为驱动硬件的软件流程.从图5中可以看出,开发者要对毎一个功能电路进行驱动图6为要开发的软件构成图,MCU的运行架构要参考相应的芯片手册,针对该芯片的向量表来构建运行机制.各类硬件驱动是驱动每第6期李长波:专用SoC的设计与应用个选择的硬件模块,使它能正常地工作起来,包括MP3解码芯片的驱动、USB的驱动、LCD的驱动等.关于操作系统,要根据MCU的资源和速度,量力而行,如果资源速度足够,可以选择开源的Os,如LNUX,当然,开发者要熟悉该系统.如果资源速度不够,可以自己写一个小内核,以支撑后面的应用软件的开发.SoC的应用软件面向用户,它是某一类专用的软件,如步进电机驱动的SoC,应用程序就是步进电机的驱动程序;学习机的SC,应用程序就是和学习相关的软件,如电子词典、各种学习的语音播放等.4专用SoC的应用专用SoC是针对某一类应用而设计的方案,如果只把裸的硬件或者只带操作系统的硬件推荐给用户,肯定打不开市场.所以,做这类产品一定是一个成熟的产品方案,用户行架构只要修改相应的名称和图标就可以推出产品.本设计针对某类学习产品而开发如儿童各类硬件驱动早教类语音玩具,播放简单的儿童故事、唐诗宋词、数字人门、三字经等在S0C的开发设操作系统计前,一定先要考虑好应用,没有应用前景的方案没有意义.应用软件5结语本篇文章介绍了专用SoC应用的需求分析、功能构成分析、产品功能规划、硬件功能图6软件构成图设计、软件功能设计、应用方案推出六个方面.让用户对SoC应用的整个过程有了详细的了解.从整个介绍过程来看,专用SoC设计技术含量很高,属于高投入高产出的行业参考文献[1]华清远.从实践中学嵌入式 Linux应用程序开发[M].北京:电子工业出版社,20122]华清远嵌入式Linx应用开发教程[M].北京:人民邮电出版社,2009[3]汪成义uC/OS-Ⅲ1在MSP430F5529上的移植[J.电子应用技术,2013(10)15[4]鹿璇,等.基于单片机和FPGA的人机交互系统的设计[J].电子设计工程,2010(9):155-157[5]彭蔓蔓,等.嵌入式系统导论[M].北京:人民邮电出版社,2008【责任编辑:王军】(上接第56页)机|手机PDA在基于云计算技术的教育资源整合方案中,需要考虑校园网已有基础设施的整合,即打破原有设施之间的通讯壁垒,构建一套统一的物理网络基础设施,实现基础设施的一体化和共享化,以上用户界面层日标可以通过基础设施的虚拟化来实现.通过虚拟化技术对高校资源管理现有的多个网络进行资源整合,可以对校园网运行的各种应用提供定制化的服务,保证现有基础设施得到最大效率的利用用户管理资源应用管理层4结束语配置管本文针对高校教育资源的建设现状出了一个基于云计算[源存锦层安全管理户界面访问各种类型的云端资源.该方案有利于实现高校资源的充分利用和共享同时也有利于对各类资源和应用的管理但是,[碳件设备层云计算技术本身也在发展之中,还存在一些有待完善的地方如云安全问题、标准问题等,需要今后做进一步的研究图1高校教育资源的云计算整合模型图参考文献[1]古丽萍.完善中的云计算[J].中国电信业,201(11):74-77H中国煤化工CNMHG[2]云计算百度百科[EB/OL].htte://hake. baidu,om/ew/131608[3]王福成基于云计算的高校教学资源整合研究[J.福建电脑,2011(2):33-34[4]阎双.云计算技术在高校教学资源整合中的应用[J].辽宁师专学报,2012,14(2):43【责任编辑:徐明忠】