可编程片上系统（精选4篇）
可编程片上系统 篇1
赛普拉斯日前推出了两款可提高模拟和数字性能的新型PSoC可编程片上系统。CY8C21x45和CY8C22xxx PSoC器件提高了可配置性，改进了数字资源性能，为工程师实施PWM、定时器、I2C和SPI通信接口等提供了更高的设计灵活性。利用专用的双通道Cap SenseR电容式触摸感应接口这一所谓的Cap Sense Plus TM技术，单个新型PSoC器件即能支持多个按钮和滑条接口，并能同时管理电机控制、智能感应、LED控制等各种功能。新型芯片可充分满足大型家电、通信、工业、汽车、消费电子以及其他市场领域的各类应用需求。
PSoC架构将可编程模拟和数字块与微控制器合二为一，这种独特的组合为设计人员提供了无与伦比的集成和灵活性。CY8C21x45和CY8C22xxx器件中的增强型数字资源提供了硬件实时时钟、PWM死区和单/多触发 (single/multi shot) 支持，不仅能节约CPU用电，还可缩短工程开发时间。新型器件包含有速度更快的专用逐次逼近寄存器 (SAR) 和模数转换器 (ADC) ，其支持的采样保留功能可提供高达150 ksps的采样速率。上述新器件还能使每个I/O都支持便于存取的模拟或数字功能，以便于客户集成系统外设。
可编程片上系统 篇2
主要特性与优势:
·创新型SoC架构中的多个高性能DSP可实现高达1.2 GHz的工作频率;
·每个DSP内核均集成定点与浮点处理功能, 完美地结合了易用性和无与伦比的信号处理性能;
·性能稳健的工具套件、专用软件库和平台软件有助于缩短开发周期, 提高调试与分析的效率;
·与其他SoC相比, 每个内核的DMA能力增强5倍、存储器容量提高2倍, 能够确保为客户提供高度稳定的应用性能;
·丰富的产品系列包括了各种器件, 如适用于无线基站的4核器件, 以及适用于媒体网关与网络应用的8核器件;
·TI多核导航器支持内核与存储器存取之间的直接通信, 从而解放外设存取, 充分释放多核性能;
·片上交换架构可为所有SoC组成部分提供高带宽和低时延互连;
·多核共享存储器控制器可加快片上及外接存储器存取速度;
·高性能1层、2层与网络协处理器。
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可编程片上系统 篇3
本文采用软硬件协同的设计思想,设计了AFDX协议处理芯片片上系统,研究了AFDX协议处理芯片的软硬件分区结构及功能,详细地研究了调度器和虚拟链传输控制等关键技术的实现。
1 软硬件协同设计
软硬件协同设计是软件和硬件的折中过程,将软件功能移植到硬件实现以加速软件执行,将硬件功能用软件实现以降低硬件实现的代价。因此,软硬件协同设计应充分考虑软件在处理控制方面的操作优势及硬件处理并行操作优势的特点[5,6]。下面从4个方面对基于软硬件协同的AFDX协议片上系统的设计过程进行详细说明。
1.1 分区结构
针对AFDX协议处理芯片的特点,本文提出了一种软硬件协同设计的分区结构,如图1所示。对于实时性要求很高的处理由单独的硬件模块完成,这些硬件模块在有数据需要处理的时候才工作,而不知道这些数据最终如何以及何时被其他模块使用,它们之间的协同工作在软件控制下完成。软件部分运行在NIOSⅡ处理器上,主要实现系统级的控制,如配置系统参数、协调各硬件模块的通信、发送帧的调度及接收帧的多路分解。
1.2 硬件功能
硬件分区结构由媒体访问控制器(MAC)、终端系统传输模块、发送/接收冗余管理模块、NIOSⅡ处理器、虚拟链数据存储器及相关辅助电路组成[4]。
(1)媒体访问控制器:发送数据时,通过NIOSⅡ处理器的调度程序和调度器的控制,负责从发送虚拟链数据缓存中读取数据,并按照AFDX协议的数据格式发送给物理层接口;接收数据时,通过物理层接口从物理层获取数据,然后按照AFDX协议进行数据解析,并通过接收冗余管理模块的处理,最终存入接收虚拟链数据缓存中。
(2)终端系统传输模块:由调度器、抖动时间、各虚拟链时间和虚拟链指针等模块,各个模块通过NIOSⅡ处理器的调度程序完成AFDX传输过程中的流量整形。按照定义好的配置表将数据流整形成各个虚拟链路中定义的最小带宽分配间隙和最大帧长参数。在满足虚拟链最大抖动范围的前提下,经过调度器叠合后发送到交换机中。
(3)冗余管理模块:冗余管理包括发送冗余管理和接收冗余管理。发送冗余管理对逐个虚拟链进行配置,经过调度器整形的虚拟链可选择从媒体访问控制器A或B发送帧数据,或同时发送。接收冗余管理对接收到的帧数据进行完整性检查,并判断是否有效,以及删除冗余通道中重复收到的有效帧。
(4)NIOSⅡ处理器:是系统的核心控制模块,负责协调各个模块之间的工作。主要功能包括:启动时配置系统、调度传输帧以及接收帧的多路分解。当开机或重启时,CPU读取配置存储器,确定虚拟链的数目、各个虚拟链所需的带宽和终端系统的媒体访问控制。
1.3 软件功能
软件结构包括主控模块、初始化模块、AFDX协议控制模块、中断管理模块、存储管理模块和错误管理模块。
(1)初始化模块:负责初始控制信息,对主控模块进行初始化,并通过AFDX协议控制模块对各个硬件模块进行初始化。
(2)主控模块:是软件运行的核心模块,是程序运行的主线程序,负责对系统其他软件模块进行管理。通过AFDX协议控制模块实现对硬件部分的管理,以此控制AFDX数据帧编解码速度及各硬件模块之间的交互;通过存储管理模块实现对片上系统各个存储器的访问与控制;通过调用中断管理模块实现系统软硬件中断的处理;通过错误管理模块监视系统的错误信息,并据此对主控模块进行相应的调整及处理。
(3)AFDX协议控制模块:是软件控制硬件模块的接口,按照软硬件接口规范将信息以命令的方式发送给相关硬件模块。为了使软件与硬件模块之间能够正常工作,它与每个硬件模块之间通过1个命令缓冲区队列(FIFO)进行信息交互,并把命令FIFO的状态传递给主控模块,主控模块据此判断AFDX协议的帧数据传输是否可以继续下去,若命令FIFO不可用(已满),则暂停数据传输,一直等待到可用为止。
(4)存储管理模块:负责对系统各个存储器进行管理,包括发送/接收虚拟链数据存储器、NIOSⅡ软件运行时的SDRAM、SRAM及掉电时用于保存程序的Flash。
1.4 软硬件接口及交互方式
软硬件接口及交互的方式是软硬件之间通信必须要考虑的问题,设计时主要考虑降低接口的复杂度及提高通信的速度。NIOSⅡ处理器的Avalon总线提供主模式和从模式2种接口,通过定制Avalon总线的时钟、地址、片选及读写控制信号,实现与具体硬件模块匹配的时序,从而实现与不同硬件模块的通信交互。软硬件之间的交互方式主要有2种:(1)单命令方式:软件和硬件直接交互,完成基本语法元素的解析,如对各硬件模块发送控制命令、1次性数据读写等;(2)DMA方式:主要用于软硬件之间或硬件与硬件之间进行频繁的数据存取操作,如发送/接收数据帧的读写等。
2 关键技术
2.1 调度器的设计
调度器是终端系统多个虚拟链进行流量整形的关键。每个虚拟链的带宽分配需要考虑到最小带宽分配间隙(BAG)、虚拟链能够传输的最大帧长度(Lmax)及最大抖动边界(Max.Jitter)3个条件的限制。BAG是以两个相继帧的起始位之间的间隔来确定的,范围为BAG=2k ms(0≤k≤7)。抖动是指从开始的BAG到第1个虚拟链分配的最大分配带宽传输的帧之间的间隔[1],两者关系如图2所示。
其中最大抖动边界必须符合以下公式:
式中,NWB为网络带宽,单位100 MB/s。
基于上述分析,本文给出两种调度器的实现方案。
(1)同步调度方案。为了简化控制逻辑和定时时间,该方案要求各虚拟链同步且传输在最小周期为T(T叟1 ms的范围内发生,具体设计如下:(1)每个虚拟链拥有独立的BAG定时器,即使2个虚拟链的BAG值相同,也不能使用同1个BAG定时器;(2)不同虚拟链的数据应该在不同的传输周期给媒体访问控制器;(3)拥有1个抖动定时器,各BAG定时器仅在抖动定时器溢出时才复位,最大抖动边界计算由式(1)确定;(4)每个虚拟链传输控制逻辑应设定1个可传输标志(FTT)来通知调度器传输该虚拟链的帧数据。下面以虚拟链A(BAGA=2 ms)和虚拟链B(BAGB=3 ms)传输过程为例对本方案进行说明。该调度器运行的结果如图3所示。
在图3中,将时间t ms到(t+1)ms定义为周期t,具体调度过程如下:
周期0:调度器启动,检测到虚拟链A有数据,且FTTA为1,经过一定抖动延时后调度帧A0,并复位FTTA。
周期1:检测到虚拟链B有数据,不经过抖动延时调度帧B0,并复位FTTB。
周期2:BAGA时间到,设置FTTA,检测到虚拟链A有数据,经过一定抖动延时后调度帧A1,并复位FTTA。
周期3:没有数据传输操作,保持原状态。
周期4:BAGA和BAGB时间都到,设置FTTA和FTTB,检测到虚拟链B有数据,经过一定抖动延时后调度帧B1,并复位FTTB;虚拟链A在超过最大抖动延时后没有帧数据传输,设置Reset BAGA,重新开始新的BAGA定时。
周期5:在新的BAGA周期检测到虚拟链A有数据,且FTTA为1,经过一定抖动延时后调度帧A0,并复位FTTA。
周期6:没有数据传输操作,保持原状态。
(2)异步调度方案。根据AFDX协议规定,1个AFDX的最长数据帧长为1518 B,假设以100 Mb/s速度传输,可以算出1个数据帧传输的最大时间为1 518×8/100=122μs,即使虚拟链以最小BAG时间(即1 ms)传输,也会留出大量空闲时间。因此,本调度方案就是考虑在1个最小BAG时间内同时传输多个虚拟链数据。具体设计如下:(1)每个虚拟链拥有独立的BAG定时器;(2)不同虚拟链的数据可以在同一个传输周期内被调度器调度,但是一旦某虚拟链开始传输,则只有等该虚拟链完全传输完后,才释放空闲时间;(3)每个BAG定时器是独立运行的,且拥有独立的抖动定时器,每个虚拟链的最大抖动边界由式(2)确定;(4)每个虚拟链传输控制逻辑应设定1个可传输标志(FTT)来通知调度器传输该虚拟链的帧数据。下面以虚拟链A(BAGA=1 ms)和虚拟链B(BAGB=1 ms)传输过程为例对本方案进行说明,该调度器运行的结果如图4所示。
从图4可以看出,虚拟链A和B各自定义了独立的最大抖动边界Amj和Bmj,并且将1 ms时间周期划分为n个小周期(每个小周期Tn=1 000/nμs)。调度时,每个帧传输应该在1个小周期内完成,当某个小周期被某帧占用后,只有等到下个小周期,才能用于传输其他帧。采用该调度方式,当传送帧的长度过长时,帧传输时间加上允许抖动有可能超过容许的Tn时间空档。在这种情况下,要使每个小周期传输正确可靠,就需要缩短最大抖动边界,或者限制每个虚拟链数据帧实际传输的长度,尽量不使用最大帧长度。
2.2 虚拟链传输控制
虚拟链的传输控制包括帧数据发送和接收2个独立的过程,发送和接收过程都存在3种操作模式:运行、终止和暂停状态。本文采用有限状态机来实现3种模式之间的转换与控制。下面以发送状态机的设计为例进行详细说明,发送状态机如图5所示。
(1)终止状态:当软硬件复位或接收到终止传输指令时,发送过程处于终止状态;当接收到开始发送指令后才能脱离停止状态;当处于停止状态时,传输进程停止。
(2)运行状态:该状态下执行发送数据帧的调度与传输。发送过程在以下情况下停止运行状态。
(1)软硬件被复位,则进入终止状态。
(2)NIOSⅡCPU发出停止传输指令,则进入终止状态。
(3)检测到发送FIFO下限溢位错误,即在帧传输过程中,当发送FIFO为空时,会形成1个下限溢位错误。一旦发生这种情况传输进程就会切换到暂停状态。
(4)发送过程描述符不可用时进入终止状态。
(3)暂停状态:该状态下暂停执行发送数据帧的调度与传输,但是系统保留发送过程的配置信息。发送过程在以下情况下跳出暂停状态:
(1)接收到发送轮询请求指令。当接收到该指令且发送FIFO没有下限溢位错误时,发送自动轮询会被激活,进入运行状态。
(2)NIOSⅡCPU发出停止发送指令,则进入终止状态。
3 仿真与实现
基于本文提出的设计方案,媒体访问控制器采用Actel公司的Core10/100IP核,其他硬件部分采用Verilog HDL语言在RTL级进行描述,NIOSⅡ软件采用C语言进行编程,最终集成在Altera公司的EP1S40芯片上进行了相关的仿真与验证。表1给出了采用不同调度方案、在处理不同个数虚拟链和不同缓存大小时,AFDX协议芯片处理单个虚拟链传输的平均用时。
从表1可以看出,异步调度方案的平均用时明显小于同步调度方案;同步调度方案的平均用时主要与最小传输周期T有关;异步调度方案情况下,随着小周期Tn变小,虚拟链和单个字节的平均传输用时也变小,但是当Tn小于200μs时,单个字节的平均用时没有明显地改变。由式(2)可知,当Tn变小时,虚拟链对固定抖动的影响就会变大,要使帧数据能正常完成,就必须减少虚拟链最大帧长Lmax的大小。所以当Tn小于200μs时,对提高帧数据的传输没有意义。
基于软硬件协同的思想设计了AFDX协议处理芯片片上系统,并在Altera公司的EP1S40芯片上进行了相关的仿真与验证。结果表明,该方案能很好地实现AFDX协议,可以实时地对虚拟链进行调度,完成数据帧的编解码,具有双冗余通道的功能。该设计方案兼备了硬件的强大并行处理能力及软件的灵活性和可编程性,具有方便、快捷、高效的优点,为片上系统的设计提供了一个很好的参考示例。
参考文献
[1]AEEC.ARINC664Aircraft data networks,Part7:avionics full duplex switched ethernet(AFDX)Network[S].Airlines Electronic Engineering Committee,2005.
[2]MCHALE J.AFDX technology to improve communications on boeing-787[J].Military&Aerospace Electronics Mag-azine,2005,16(4):22-23.
[3]LI Qiao,GE Peng,XIONG Hua Gang.Effective band-width over AFDX[C].25th IEEE Digital Avionics Systems Conference,2006.
[4]Actel Corporation.Developing AFDX solutions(application note AC221)[DB/OL].http://www.actel.com.2005.
[5]熊志辉,李思昆,陈吉华.支持平台设计方法的系统芯片协同设计环境[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(7):1401-1406.
可编程片上系统 篇4
1958年德州仪器公司研究人员基尔比发现, 可以将原先由各种分立元件构成的电路, 以晶体管的归一化方式集成在半导体基体上。这样一来, 原先由电子工程师担负的电路设计和制造任务, 便转移到IC设计部门, 电子工程师可以“傻瓜化”地使用集成电路。当集成电路进入So C或成套芯片的IT产品平台时, IT产品的最终生产领域便进入山寨化产业时代。
1 集成电路与嵌入式片上系统 (System On Chip)
集成电路诞生前, 电子工程师在形形色色的分立电子元器件基础上设计与制作电路, 来实现电路技术成果的创新与应用。集成电路诞生后, 集成电路设计者将许多成熟的电路技术成果转化成集成电路。电子工程师使用这些集成电路进行更高层次的应用时, 不再需要了解集成电路中的知识。
当基本的数字逻辑集成电路出现后, 电子工程师用“与”、“或”、“非”等逻辑集成电路创造出脉冲计数器电路时, 并不需要了解数字逻辑集成电路的工作原理。当脉冲计数器、定时器、振荡器集成电路出现后, 电子工程师只要了解这些集成电路的外部特性与使用方法, 就可以构成一个日历时钟。
集成电路中不仅集成了电路的知识, 还集成了电路的行为。而所谓So C, 是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用So C设计的核心思想, 就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用So C设计应用, 除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外, 其他所有的电路全部集成在一起。So C追求产品系统最大包容的集成电路器件, 是目前嵌入式应用领域发展的一定时期的必然结果。能够有机的把电路的行为控制在电路的内部存储, 最大化的实现了软硬件无缝结合, 直接在集成电路或处理器芯片内嵌入系统的操作代码模块。So C还具有极高的综合性, 在一个芯片内部运用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。
目前一些大的芯片公司已经推出了成熟的、能够占领多数市场的So C芯片, 一举击退竞了许多的竞争者。So C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。
2 So C在早期山寨产业中的应用
半导体厂家推出的VCD/DVD软硬件套件 (VCD/DVD机So C方式构建成的平台) 给VCD/DVD机生产厂家的同时, 不断将VCD/DVD的最新技术以So C方式集成到VCD/DVD软硬件套件中, 准备给VCD/DVD机生产厂家提供下一代VCD/DVD机的平台商品。
VCD/DVD机制造商想要生产这一产品时, 只需向半导体商购买VCD/DVD套件 (VCD/DVD机So C方式构建成的平台) , 在半导体商售后的技术支持下, 实现VCD/DVD机的傻瓜化生产。这就是为什么我国一些乡镇企业可以在没有一个专业工程师的状况下, 迅速实现VCD/DVD机的大规模生产的原因。这就是由VCD/DVD引发的早期山寨产业现象。
3 So C在中期山寨产业中的应用
说起山寨手机, 就必须提到它们共用的MTK芯片。MTK是一家台湾的芯片厂商, 中文名字叫联发科技股份有限公司, 英文全称叫MediaTek。就是这家创立于1997年的公司, 一度被美国《福布斯》杂志评为“亚洲企业50强”, 而他们研制出的MTK手机芯片则震动了整个手机产业链条。MTK芯片中就恰恰运用了So C技术, 所以说山寨手机的出现, 不是一个孤立事件, 是So C技术集成电路发展的一个客观规律。是山寨产业的中篇代表。
MTK芯片运用So C技术把手机主板、软件集成到, 只要加个外壳和电池, 就能用MTK提供的手机“半成品”生产出一台手机, 所以一些小的乡镇企业都堂而皇之地做起了手机制造。这就像你去市场买一台电脑兼容机一样, CPU、内存、硬盘、显卡都给你配好, 你只要用螺丝把它们拧紧, 你唯一能选的硬件是机箱, 对应到手机就是一个外壳的不同而已。这也就是为什么市场上有那么多功能一样, 只是外壳稍有不同的“山寨手机”的原因。
随着信息时代的到来及普遍的数字化生活方式, 由So C直接构成了能独立实现某些行为能力的应用系统, 如数值计算用计算器、各种类型的快译通、PDA、多媒体领域中的MP3、MP4等。这些都是由So C直接构成的嵌入式应用系统商品, 弱化了So C的嵌入性, 强化了So C的山寨性。
4 So C在未来山寨产业中的应用
山寨产业是IT产业的必然趋势, 2008年10月28日, 威盛电子在深圳发起“开放式超移动产业策略联盟” (简称GMB) , 威盛凭借其在低功耗领域的多年优势, 在CPU、芯片组、显示芯片、音频解决方案、网络解决方案等一系列产品领域, 无论是性能的提升, 功耗的控制, 高度集成化上都颇有建树, 不仅在越来越小的芯片中运用So C技术集成了更多的规格, 更丰富的功能, 更能让设备的外观小巧轻薄、产品多样, 很好实现了超移动的“平衡核心”架构。威盛的GMB联盟已经来势汹汹的步入超移动市场的大门。
过去传统的PC生产设计中, 组装一台设备, 都需要联合不同的零部件厂商的产品, 决定产品成败最关键的因素就是兼容性, 要实现一台终端产品所有部件间的兼容, 要多家厂商之间进行协商, 最终达成兼容协议, 但每家厂商对自家的产品还有所保护, 不会绝对公开, 这就很容易形成了兼容性壁垒。但现在威盛运用So C技术提供的超移动平台, 就已经在平台内部将所有涉及到的部件进行了高度整合, 并能有效保证兼容的品质, 也能大大缩短下游厂商的产品市场导入时间, 这就将形成未来的山寨笔记本产业。
当集成电路距离产品系统较远时, 山寨化现象局限于科研领域, 不被人们注意。当集成电路进入So C时代, 向产品平台发展时, 就必然导致IT产业的山寨化。
随着科技的不断进步和发展, So C技术必将在各行各业发挥更大的作用, 在山寨产业中的应用已经让我们对这项技术有了一定的了解, 但我们更希望看到它辉煌的未来。
参考文献
[1]何立民.集成电路知识平台与山寨产业现象[J].单片机与嵌入式系统应用, 2009 (1) .