高度集成的SoC迎接系統級設計的挑戰

 

概要：夏普微電子設計了一系列基于A(yíng)RM 內核的片上系統（SoC ），旨在解決目前設計領(lǐng)域那些最有挑戰性的問(wèn)題，其中包括如何平衡高性能與低功耗等。本文對這些設計中的難題進(jìn)行了回顧，并且在夏普基于A(yíng)RM720TTM 的Blue Streak SoC 的基礎上，介紹了一些解決方案。

 
新一代PDA 正在越來(lái)越受到人們的關(guān)注。從簡(jiǎn)單的個(gè)人信息管理（PIM ）到商用無(wú)線(xiàn)銷(xiāo)售終端（POS ），在這些復雜設計中，工程師們正面臨著(zhù)一些普遍的問(wèn)題。
產(chǎn)品上市時(shí)間、成本、功耗、體積的最小化是此類(lèi)產(chǎn)品設計的關(guān)鍵因素，夏普的SoC 產(chǎn)品為其中的某些問(wèn)題提供了有效的解決方案。
夏普微電子開(kāi)發(fā)的基于A(yíng)RM 內核的Blue Streak 系列SoC，針對那些高層次要求的外設集成和功能集成問(wèn)題。當工程師們在諸如Linux 那樣的開(kāi)放源碼操作系統上進(jìn)行PDA 開(kāi)發(fā)的時(shí)候，在功能、性能與功耗之間的平衡，面臨著(zhù)很大的挑戰。

雖然ARM 公司與許多世界知名的操作系統公司，如Symbian, Microsoft, Palm 等，通過(guò)密切的合作，對ARM 的體系結構有著(zhù)非常好的支持，但即便如此，設計工程師們仍然面對著(zhù)許多難題。

 
當芯片廠(chǎng)商面對這些復雜的設計提供一個(gè)SoC 解決方案的時(shí)候，必須強調一個(gè)“系統級設計”的概念，而不僅僅局限于芯片本身。這意味著(zhù)芯片廠(chǎng)商不僅要有適應市場(chǎng)需求的芯片設備，還要能提供世界級的開(kāi)發(fā)工具、評估板和驅動(dòng)程序，以幫助設計工程師們縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

 
電池壽命的長(cháng)短也是決定一個(gè)產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵因素。消費者并不喜歡經(jīng)常購買(mǎi)或者更換電池，一個(gè)便攜式產(chǎn)品在每次充電之后的使用時(shí)間應該至少在8 小時(shí)以上。芯片設計時(shí)應該把功耗視為重要參數，ARM 內核是面向低功耗的設計，它的MIPS/Watt 是所有同類(lèi)產(chǎn)品中最低的。夏普的LH79520 就是基于A(yíng)RM720T 的產(chǎn)品，它能為工程師們提供若干種降低功耗的方法。LH79520 產(chǎn)品能夠在幾種不同的耗電狀態(tài)下工作，從最高頻率下的全速狀態(tài)，到僅有一個(gè)32khz 時(shí)鐘維持實(shí)時(shí)記時(shí)功能的休眠狀態(tài)。這之間有很多的控制方法，使設計者們有最大的靈活性來(lái)根據需要動(dòng)態(tài)地控制功耗，做到以最小的功耗得到最大的性能。

要考察一個(gè)芯片的性能，我們不能只關(guān)注它的運行時(shí)鐘頻率。在與MCU 內核協(xié)同工作的時(shí)候，許多相關(guān)因素都可以提升系統的性能水平。通過(guò)存儲器管理單元（MMU），許多操作系統都可以管理系統任務(wù)和系統資源。片上存儲器的集成可以使數據和代碼存儲在芯片內部，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間只需要單個(gè)周期；如果訪(fǎng)問(wèn)片外的存儲器內容則必須花上2-3 個(gè)周期?？偩€(xiàn)帶寬可以根據應用的需求而改變，高級系統常使用更寬的32 位數據總線(xiàn)，而對性能要求不高的低成本系統則可以使用16 位數據總線(xiàn)。LH79520 集成了8KB 的cache 、32 位SRAM 和一個(gè)MMU 來(lái)，支持72MHZ 的ARM 內核。

 
工程師們在為一個(gè)CPU 配備存儲器的時(shí)候，有著(zhù)非常廣泛的設備選擇范圍。程序代碼可以存在外部的ROM或Flash 中。但在通常的使用狀態(tài)下， 代碼和數據需要放在RAM 里面，這種存儲器通常是外部的SRAM 或者DRAM，存儲器的數量和種類(lèi)隨著(zhù)應用程序的要求不同而不同，主要依賴(lài)于訪(fǎng)問(wèn)速度、容量和成本等幾個(gè)因素。一個(gè)好的SoC 應該有支持各種類(lèi)型和各種容量存儲器的能力，例如夏普
的LH79520 就可以同時(shí)支持SRAM、SDRAM、Flash 和ROM。

 
圖形用戶(hù)界面（GUI）是PDA 的另一個(gè)常見(jiàn)特征。它們幾乎無(wú)一例外地都使用液晶顯示（LCD）。以前系統需要在CPU 外面擴展額外的功能以支持LCD，但現在夏普可以在SoC 芯片上面集成LCD 的控制器，這種集成降低了芯片數目，電路板的面積和系統的成本。由于不同PDA 需要的GUI 要求可能很不一樣，LH79520 產(chǎn)品集成了一個(gè)功能強大的LCD 接口，支持單色和彩色STM、TFT 和HR-TFT 等LCD 模塊。PDA 的差異性對LCD 解決方案的需求也非常多，LH79520支持從120 x 160 像素到最高800 x 600 像素的LCD 解決方案，同時(shí)還支持多種調色板和像素的彩色控制位。

 
PDA 除了上述這些比較通用的模塊之外，還有其他一些主要的功能。比如實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以用來(lái)驅動(dòng)個(gè)人信息管理（PIM）系統的日歷或POS 終端的時(shí)間印記；紅外線(xiàn)通信可以在點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信中使用；UART 被用作高速的串行數據通信通道；脈寬調制器（PWM）在模擬音頻信號產(chǎn)生和電機驅動(dòng)中得到廣泛應用；等等。

 
SoC 芯片高性能、低功耗和豐富的外設支持等特點(diǎn)給PDA工程師設計性能優(yōu)秀而成本低廉的產(chǎn)品帶來(lái)了極大的幫助。當然，工程師們還必須得有一個(gè)高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境以支持他們的硬件和軟件開(kāi)發(fā)。因為ARM 是當今市場(chǎng)上RISC 芯片的領(lǐng)導者，有許多的公司為ARM 提供軟、硬件開(kāi)發(fā)工具支持。像軟件方面就有許多集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）和為各種操作系統移植的板級驅動(dòng)程序（BSP）。工具的多樣性
使得工程師們有余地選擇最適合于他們需求的工具，同時(shí)也允許軟件工程師和硬件工程師并行開(kāi)展同一個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)工作，有效地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

PDA 設計工程師采用像LH79520 這樣的新型SoC 芯片，能夠得到許多的好處。高性能和低功耗結合的CPU 給PDA 帶來(lái)了同樣的高性能和長(cháng)的電池使用時(shí)間。同時(shí)，高度集成的芯片和優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具支持保證了快速和成功的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。高度集成的SoC 芯片使得體積更小、成本更低的PDA 設計成為可能