高度集成的SoC迎接系統(tǒng)級設計的挑戰(zhàn)

 

概要：夏普微電子設計了一系列基于ARM 內核的片上系統(tǒng)（SoC ），旨在解決目前設計領域那些最有挑戰(zhàn)性的問題，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行了回顧，并且在夏普基于ARM720TTM 的Blue Streak SoC 的基礎上，介紹了一些解決方案。

 
新一代PDA 正在越來越受到人們的關注。從簡單的個人信息管理（PIM ）到商用無線銷售終端（POS ），在這些復雜設計中，工程師們正面臨著一些普遍的問題。
產(chǎn)品上市時間、成本、功耗、體積的最小化是此類產(chǎn)品設計的關鍵因素，夏普的SoC 產(chǎn)品為其中的某些問題提供了有效的解決方案。
夏普微電子開發(fā)的基于ARM 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題。當工程師們在諸如Linux 那樣的開放源碼操作系統(tǒng)上進行PDA 開發(fā)的時候，在功能、性能與功耗之間的平衡，面臨著很大的挑戰(zhàn)。

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

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

 
電池壽命的長短也是決定一個產(chǎn)品成功與否的關鍵因素。消費者并不喜歡經(jīng)常購買或者更換電池，一個便攜式產(chǎn)品在每次充電之后的使用時間應該至少在8 小時以上。芯片設計時應該把功耗視為重要參數(shù)，ARM 內核是面向低功耗的設計，它的MIPS/Watt 是所有同類產(chǎn)品中最低的。夏普的LH79520 就是基于ARM720T 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32khz 時鐘維持實時記時功能的休眠狀態(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根據(jù)需要動態(tài)地控制功耗，做到以最小的功耗得到最大的性能。

要考察一個芯片的性能，我們不能只關注它的運行時鐘頻率。在與MCU 內核協(xié)同工作的時候，許多相關因素都可以提升系統(tǒng)的性能水平。通過存儲器管理單元（MMU），許多操作系統(tǒng)都可以管理系統(tǒng)任務和系統(tǒng)資源。片上存儲器的集成可以使數(shù)據(jù)和代碼存儲在芯片內部，訪問時間只需要單個周期；如果訪問片外的存儲器內容則必須花上2-3 個周期。總線帶寬可以根據(jù)應用的需求而改變，高級系統(tǒng)常使用更寬的32 位數(shù)據(jù)總線，而對性能要求不高的低成本系統(tǒng)則可以使用16 位數(shù)據(jù)總線。LH79520 集成了8KB 的cache 、32 位SRAM 和一個MMU 來，支持72MHZ 的ARM 內核。

 
工程師們在為一個CPU 配備存儲器的時候，有著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(shù)據(jù)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(shù)量和種類隨著應用程序的要求不同而不同，主要依賴于訪問速度、容量和成本等幾個因素。一個好的SoC 應該有支持各種類型和各種容量存儲器的能力，例如夏普
的LH79520 就可以同時支持SRAM、SDRAM、Flash 和ROM。

 
圖形用戶界面（GUI）是PDA 的另一個常見特征。它們幾乎無一例外地都使用液晶顯示（LCD）。以前系統(tǒng)需要在CPU 外面擴展額外的功能以支持LCD，但現(xiàn)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(shù)目，電路板的面積和系統(tǒng)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。比如實時時鐘，可以用來驅動個人信息管理（PIM）系統(tǒng)的日歷或POS 終端的時間印記；紅外線通信可以在點到點的無線通信中使用；UART 被用作高速的串行數(shù)據(jù)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給PDA工程師設計性能優(yōu)秀而成本低廉的產(chǎn)品帶來了極大的幫助。當然，工程師們還必須得有一個高效的開發(fā)環(huán)境以支持他們的硬件和軟件開發(fā)。因為ARM 是當今市場上RISC 芯片的領導者，有許多的公司為ARM 提供軟、硬件開發(fā)工具支持。像軟件方面就有許多集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和為各種操作系統(tǒng)移植的板級驅動程序（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，同時也允許軟件工程師和硬件工程師并行開展同一個產(chǎn)品的研發(fā)工作，有效地縮短了產(chǎn)品開發(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 帶來了同樣的高性能和長的電池使用時間。同時，高度集成的芯片和優(yōu)秀的開發(fā)工具支持保證了快速和成功的產(chǎn)品開發(fā)過程。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