22. Системи на кристалі та їх види
Раніше створені розробниками систем і апаратури функціонально-закінчені вузли, блоки, окремі субсистеми, конструктивно реалізовані у вигляді друкованих плат, з десятками типів універсальних і спеціалізованих мікросхем і окремих компонентів, успішно трансформуються в якісно нову реалізацію - спеціалізовані надвеликі інтегральні схеми типу «система на кристалі» (« System on chip» - далі SoC) [5, стор. 13].
Те, що сьогодні є набором декількох чіпів (інтегрований чіпсет), завтра завдяки вдосконаленню процесів виробництва стане однією інтегрованою SoC-системою.
Рис. 12.1. Загальна блок-схема “Системи на кристалі” [5, стор. 16]
Можна визначити SoC як складну інтегральну схему, що об'єднує в одному чіпі або чіпсеті всі основні функціональні елементи повного кінцевого продукту.
Загалом, SoC проект включає в себе як мінімум один програмований процесор, внутрішньокристальну пам'ять, апаратно реалізовані функціональні елементи. У SoC також включаються інтерфейси з периферійними пристроями та (або) із зовнішнім середовищем (рис 12.1). SoC проекти включають як апаратні, так і програмні компоненти. Так як SoC схеми взаємодіють із зовнішнім середовищем, вони часто мають включати аналогові компоненти, а в майбутньому можуть містити також компоненти оптичних / мікроелектронних механічних систем (О/MEMS) [5, стор. 16].
Типова вбудована система, побудована на базі SoC, містить різніманітні набори наступних інтерфейсів і контролерів:
системна шина і контролери шин LPC/ISA, PCI, PCMCIA;
контролери управління NOR/NAND Flash, SDRAM, SRAM, DDR;
контролер Ethernet;
послідовні інтерфейси UART, SPI / SSP / uWire, RS-232, RS-422/485, CAN;
бездротові інтерфейси WiFi / IEEE802.11, ZigBee, Bluetooth, IrDA;
інтерфейси підтримки Flash-карт пам'яті: SD/MMC, CompactFlash, MemoryStick;
контролер LCD STN / TFT / OLED;
контролер матричної клавіатури;
модулі бездротової передачі даних GSM / GPRS, CDMA;
модулі прийому сигналів супутникових навігаційних систем GPS, Glonass;
апаратні підтримки плаваючої коми, шифрування, DRM тощо;
аудіо- і відео-інтерфейси.
Велика кількість виробників і необмежений вибір кристалів SoC вносять деяку плутанину при виборі елементної бази для реалізації того чи іншого цифрового пристрою. Існує велика кількість параметрів і факторів, за якими можна класифікувати системи на кристалі:
за процесорним ядром ARM, MIPS, PowerPC, x86 тощо;
за продуктивністю ядра і за частотою системної шини;
за набором інтерфейсів;
за вартістю кристала і за масою;
за позиціонуванням кристала виробником.
Також системи на кристалі класифікують за їх застосуванням.
для бюджетних застосувань;
для пристроїв віддаленого управління;
для термінальних пристроїв;
двоядерні (dual core) для обробки даних;
для спецобчислювачів на основі ПЛІС.
23. Стадії реалізації проекту комп’ютерних систем на кристалі
Система на кристалі (СНК) - це ПВІС (понад велика інтегральна схема), інтегруюча на кристалі різні функціональні блоки, які утворюють закінчений виріб для автономного застосування в електронній апаратурі. В англомовній літературі називається System-on-a-Chip, SoC.
.
Рис 15.1. Основні складові процесу проектування SoC
На рис. 15.1 наведено основні складові процесу проектування SoC. Це, звичайно, визначена стилізація і лінеаризація маршруту проектування. Перед тим як перейти до наступного етапу повинні бути завершені всі проектні задачі на поточному етапі. В більш реалістичній спіралеподібній моделі проектування виконують одночасно по чотирьох напрямках:
розробка програмного забезпечення;
розробка RTL-коду;
логічний синтез;
фізичний синтез;
Під час виконання цього процесу групи розробників обмінюються результатами проектування. [3, стор. 69]
Аналіз вимог Soc - це визначення і опис складної Soc, як кінцевого продукту. Вихідною інформацією тут є набір характеристик майбутньої Soc, як функціональних, так і не функціональних, отриманих в результаті маркетингових досліджень: ціна, розміри, споживання енергії, тип корпусу і т.д. Даний етап має дати відповідь на питання: чи є даний проект здійсненним. [3, стор. 70 ]
Розробка і аналіз алгоритму. На даному етапі створюються, адаптуються і досліджуються ключові алгоритми роботи Soc, такі як управління системою, обробка даних. Алгоритми управління часто виражаються в формі автомата з кінцевим числом станів. Алгоритми обробки даних, як правило, записуються на мові спеціалізованих програмних середовищ, наприклад на С/C++.
Архітектура Soc. На цьому етапі визначається базова архітектура майбутньої Soc. Дуже важливо вибрати комунікаційну архітектуру, яка стане каркасом для Soc. Вибір неадекватної комунікаційної архітектури може зробити Soc громіздкою. В першу чергу потрібно опри ділитися з програмованими процесорними ядрами. [3, стор. 71 ]
Проектування на системному рівні є важливою частиною Soc процесу. На цьому етапі повинна бути вирішена задача програмно-апаратої декомпозиції. Також тут необхідно створити модель поведінки і проаналізувати її (шляхом коп'ютерного моделювання) на предмет дотримання функціонування, продуктивності і нефункціональних атрибутів майбутньої Soc. Потім всі використані IP-блоки повинні бути ідентифіковані.
Придбання IP-блоків. Одними з ключових труднощів є проведення детальної перевірки при купівлі IP-блоків на предмет їх достовірності і повноцінності, а також виявлення можливих помилок до етапу інтеграції. [3, стор. 72 ]
Визначення архітектури вбудованого ПЗ. Вибір базової операційної системи реального часу напряму залежить від типу процесора, який, в свою чергу, визначається конкретною областю застосування майбутньої SoC. Перефирійні пристрої SoC повинні бути забезпечені драйверами – спеціалізованим ПЗ, яке забезпечить взаємодію прикладного ПЗ і апаратної периферії.
Конфігурація і планування мікроархітектури SoC. На цьому етапі детально розглядається SoC з точки зору логічного і фізичного проектування. [3, стор. 73 ] Перед тим як деталізувати проект на фізичному рівні потрібно виконати наступне:
затвердити фізичне планування кристалу;
завершити роботу з IP-блоками;
остаточно сконфігурувати мікроархітектуру;
реалізувати всі апаратні блоки.
Архітектура DFT і її впровадження. Додаткові схеми для тестування і самотестування готових НВІС (DFT – Design-for-Test) обов'язково треба вмонтувати в SoC.
Реалізація і впровадження AMS блоків. Більшість SoC включає в себе аналогові і змішані (цифро-аналогові) блоки (AMS – Analog/Mixed Signal), щоб забезпечити зв'язок із зовнішнім світом.
Інтеграція апаратних IP-блоків. [3, стор. 74 ]
Асемблювання ПЗ і його інтеграція в SoC.ІР-блоки, з ПЗ, так само як і апаратні ІР-блоків повинні бути адаптовані до даної SoC, інтегровані і верифіковані в складі SoC.
Програмно-апаратна верифікація. Існує цілий ряд підходів для виконання спільної верифікації АЗ і ПЗ. Вмонтоване ПЗ на рівні інструкцій процесора може бути повністю реалізоване у вигляді програмної моделі (наприклад, на мові С/C++), або апаратна частина у вигляді RTL-коду, переданого емулятору, а програмна частина буде виконуватися на робочій станції в режимі реального часу. Інший підхід до виконання програмно-апаратної верифікації – створення змішаного прототипу, де знову освоєні блоки можуть або емалюватися або моделюватися на робочій станції. [3, стор. 75 ]
Заключна збірка SoC і верифікація. Даний етап включає: розміщення, трасування всього кристалу, фізичну верифікацію, перевірку відповідності топології і схеми і вилучення паразитних елементів.
Виробництво, тестування, корпусування і лабораторні випробування. Коли протестований і корпусований на заводі примірник мікросхеми SoC передається для заключної верифікації, ідеальний сценарій – це завантаження ПЗ і тестування усієї системи протягом кількох годин.