Міністерство освіти і науки України

Тернопільський національний технічний університет

імені Івана Пулюя

Кафедра комп’ютерних систем та мереж

Лабораторна робота №7

з дисципліни:

“Архітектура комп’ютерів”

на тему:

“ Архітектура SoC (System-on-a-Chip) cистеми на кристалі. Особливості реалізації та перспективи застосування”

Виконав:

cтудент групи СІc-42

Петрук В.В.

Перевірив:

Шевченко О. В.

Тернопіль 2015

Мета роботи: Ознайомитись з архітектурою «Система на кристалі (СнК) та принципи реалізації.

Короткі теоретичні відомості

Системами на кристалі», можна сформулювати наступне визначення: система на кристалі - це НВІС (надвелика інтегральна схема), інтегруючи на кристалі різні функціональні блоки, які утворюють закінчений виріб для автономного застосування в електронній апаратурі. Структура типової СНК представлена на малюнку 1.

Рис. 1. Структура типової системи на кристалі.

 

Типова SoC містить:

- один або кілька мікроконтролерів, мікропроцесорів або ядер цифрової обробки сигналів (DSP). SoC, що містить декілька процесорів, називають багатопроцесорною системою на кристалі (MPSoC).

- банк пам'яті, що складається з модулів ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ або флеш.

- джерела опорної частоти, наприклад, кварцові резонатори і схеми ФАПЧ (фазового автопідстроювання частоти),

- таймери, лічильники, ланцюги затримки після включення,

- блоки, що реалізують стандартні інтерфейси для підключення зовнішніх пристроїв: USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI.

- блоки цифро-аналогових та аналого-цифрових перетворювачів.

- регулятори напруги і стабілізатори живлення.

У програмовані SOC часто входять також блоки програмованих логічних матриць - ПЛМ; а в програмовані аналого-цифрові SOC - ще і програмовані аналогові блоки.

Блоки можуть бути з'єднані за допомогою шини власної розробки або стандартної конструкції, наприклад, AMBA в чіпах компанії ARM. Якщо в складі чіпа є контролер прямого доступу до пам'яті (ПДП), то з його допомогою можна заносити дані з великою швидкістю із зовнішніх пристроїв напряму в пам'ять чіпа, минаючи процесорний ядро.

Розробка систем на кристалі

Для функціонування системи програмне забезпечення не менш важливо, ніж апаратне. Розробка, як правило, ведеться паралельно. Апаратна частина збирається зі стандартних налагоджених блоків, для складання програмної частини використовуються готові підпрограми настройки відповідних блоків, що реалізують необхідні процедури і функції, які в англомовній літературі часто називаються драйверами. Застосовуються засоби автоматизації розробки CAD та інтегровані програмні оболонки.

Для того, щоб упевнитися в правильній роботі створеної комбінації блоків, драйвери і програму завантажують в емулятор апаратної частини (мікросхему з програмованими ланцюгами, FPGA). Також потрібно задати розташування блоків і розробити міжблочні зв'язку.

Перед здачею в виробництво апаратна частина тестується на коректність з використанням мов Verilog та VHDL, а для більш складних схем - SystemVerilog, System C, e і Open Vera. До 70%% загальних зусиль на розробку витрачається саме на цьому етапі.

Системи-на-кристалі споживають менше енергії, коштують дешевше і працюють надійніше, ніж набори мікросхем з тією ж функціональністю. Менша кількість корпусів спрощує монтаж. Тим не менш, проектування та налагодження однієї великої і складної системи на кристалі виявляється більш дорогим процесом, ніж серії з маленьких.

Система на кристалі може включати як цифрові, так і аналогові блоки. Основним цифровим блоком зазвичай є процесор, що виконує програмну обробку цифрових даних. Спеціалізовані блоки обробки забезпечують апаратне виконання функцій, специфічних для даної системи. Це можуть бути, наприклад, блоки цифрової обробки сигналів (DSP), аналогові схеми, перетворювачі потоків даних та ін. пристрої. Різні типи модулів пам'яті (SRAM, DRAM, ROM, EEPROM, Flash) можуть входити до складу СнК або підключатися до неї як зовнішні блоки. Таймери, АЦП і ЦАП, широтно-імпульсні модулятори та інші цифрові пристрої можуть інтегруватися до складу СнК в якості периферійних пристроїв. Інтерфейс із зовнішніми пристроями забезпечується за допомогою паралельних і послідовних портів, різних шинних та комунікаційних контролерів та інших інтерфейсних блоків, в т.ч. аналогових (підсилювачів, перетворювачів). Склад блоків, інтегрованих в конкретній СнК, варіюється залежно від її функціонального призначення. Організація зв'язків між блоками системи також може бути різною: можливе використання різних стандартизованих шин (типу AMBA) або спеціалізованих локальних інтерфейсів.

Як видно з малюнка 1, структуру СнК складають в основному ті ж функціональні блоки, які входять до складу складно-функціональних НВІС (надвеликі інтегральні мікросхеми) класу мікроконтролерів і мікропроцесорів. Фактично сучасні СнК відрізняються від мікроконтролерів тільки наявністю спеціалізованих блоків обробки даних. Випуск мікроконтролерів (що називалися перш однокристальними мікро ЕОМ) почався в 1981 р Таким чином, можна вважати, що РНК без спеціалізованих блоків обробки виробляються і застосовуються вже більше 27 років.

У більшості випадків СнК являє собою цифрову НВІС, яка може також містити ряд аналогових блоків. Тому для проектування СнК використовуються ті ж методи і засоби, що і для НВІС. Ці кошти реалізовані у вигляді систем автоматизованого проектування (САПР), що поставляються компаніями Cadance, Synopsis, Mentor Graphics та ін. В якості елементної бази ці САПР використовують бібліотеки функціональних елементів, до складу яких входять як прості логічні вентилі і тригери, так і макроелементи, що виконують більш складні функції: регістри, лічильники, суматори, помножувачі, арифметико-логічні пристрої і т. д.