Системы на программируемых кристаллах (SOPC)

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Системы на кристалле: типы SoC, структура, основные характеристики и функции, среда проектирования
Достоинства систем на кристалле (SoC):
1. Повышение производительности.
2. Снижение энергопотребления.
3. Уменьшение габаритов и цены.
Классификация SoC:
1. SoC.
2. CSoC (конфигурируемые системы на кристалле)
2.1. Стандартные.
2.2. Специализированные.
3. PSoC (программируемые системы на кристалле).
3.1. С однородной структурой (Soft – ядра (IP – ядра)).
3.2. С блочной структурой (Hard – ядра).
4. SoPC (система на кристалле программируемая).

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
SOPC делятся на однородные и блочные. В однородных SOPC различные блоки системы реализуются одними и теми же аппаратными средствами. При этом при разработке систем используются т. н. единицы интеллектуальности (IP).
IP – заранее реализованные параметризуемые мегафункции для создания тех или иных частей системы.
Все блоки системы являются полностью синтезируемыми, перемещаемыми и могут располагаться в разных областях кристалла. Проектировщик размещает IP в нужной части кристалла в виде блоков. Блочные SOPC имеют аппаратные ядра, но реализуются в виде ASIC.
Реализация функций спецаппаратными ядрами требуют значительно меньше площади кристалла, чем в однородных SOPC.
Быстродействие блоков выше, но снижена универсальность

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Блочные SOPC делятся на 2 группы:
1. имеющие аппаратные ядра процессоров (наиболее универсальные);
2. не имеющие аппаратные ядра процессоров.
SOPC блочного типа включают в себя как программируемые, так и фиксированные области.
Программируемые области реализуются в виде FPGA.
В однородных SOPC уровень интеграции позволяет конфигурировать на кристалле процессорную память периферийных схем. Может использоваться IP разных разработчиков.
HARD-ядра реализуются заказным способом, как правило, не имеют средств конфигурирования и оптимизированы на выполнение заданной конкретной функции. Для уменьшения потерь универсальных SOPC с HARD-ядрами , для них подбирают такие функциональные блоки, которые являются широко распространёнными и в других чипах.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
SOPC С ОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ. Рассмотрим структуру однородной SOPC.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Архитектура таких SOPC.называется multicore. В ней сочетаются ФБ LUT и PAL.
Кроме того микросхемы имеют встроенные блоки памяти, содержащие также средства для реализации ДНФ, которые удобны для получения функций управления логики, в частности, декодеров и автоматов с памятью.
Табличные блоки хорошо приспособлены для реализации сложных алгоритмов обработки сигналов и к построению узлов и устройств, содержащих большое количество триггеров.
Кристаллы SOPC имеют многоуровневую структуру связей. Наименьшей структурной единицей логического типа является логический элемент, допускающий несколько стандартных конфигураций:
нормальная (обычная);
арифметическая (сумматор);
счётная (счётчик).

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
10 логических элементов объединяются в логический блок, имеющий свой уровень межсоединений (ЛМС).
16 логических блоков и блок встроенной памяти объединяются в мегаблок.
Мегаблоки имеют свой уровень межсоединений и они коммутируются между собой с помощью глобальной МС, к концам линий которой подключается блок вола/вывода (БВВ).
Схемы в/в отличаются высоким быстродействием, поддерживают более 10 стандартов в/в. Контакты в/в разделены на 8 банков, каждый из которых может быть построен на свой стандарт обмена.
Элементы в/в обеспечивают совместные шины PCI.
Типичный диапазон числа эквивалентных вентилей для APEX20K до 1,5 млн., ёмкость встроенной памяти до 450 кбит, число выводов контактов до 800, частота ≈200 МГц.
Для APEX20K разработано SOPC – ядро риск-процессора.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
SOPC С БЛОЧНЫМИ СТРУКТУРАМИ. В составе блока SOPC могут быть или отсутствовать параметры. В SOPC с процессорными ядрами можно выдавать 4 основные части: процессор, FPGA, интерфейс между ними, интерфейс с внешней средой.
Рассмотрим SOPC на примере фирмы FPSLIC (Field Programmable System Level Integration Chip). В архитектуре этого свойства микросхемы можно выделить следующие блоки:
1. процессорное ядро AVP и его периферия;
2. память программ и статическая память данных;
3. FPGA с логической ёмкостью до 40эквивалентных вентилей.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Структурно можно представить следующим образом:

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Для процессора используется Гарвардская архитектура, обеспечивающая повышение быстродействия ядра, вследствие совмещения во времени процессов выборки и выполнения команд.
В блоке FPGA размещается стандартная структура микросхем с различной логической ёмкостью, способной работать на частоте до 100 МГц, имеющая собственные блоки встроенной памяти ёмкостью от 2-х до 16 кбит.
Кроме того, в области FPGA реализуются повторители, сегментированные программные связи и блоки RAM.
Повторители соединяют смежные сегменты в горизонтальных и вертикальных трассах передачи сигналов, размещённых через каждые 4 ячейкипо обеим координатам.
На пересечении рядов, содержащих повторители, находится блок RAM (32х4).
В каждую из ячеек входит 2ФП типа LUT, D-триггер и 1,5 десятка программируемых МХ. ФП могут воспроизводить функции 3-х переменных и могут объединяться и воспроизводить функции 4-х переменных.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Логические ячейки имеют несколько стандартных конфигураций:
1) для воспроизведения функции 4-х переменных;
2) 2-х функций от 3-х переменных (для SM);
3) 2-х функций от 4-х аргументов со сложной зависимостью;
4) счётный режим (CNT);
5) режим мультиплексирования 2 в 1.
Такой спектр режимов позволяет создавать проекты с интенсивными вычислениями:
1) цифровая обработка сигналов;
2) криптография и другие мультимедийные проекты.
Кроме того, на FPGA реализуются интерфейсные функции (COM-порт, PCI-интерфейс).
Для реализации этих функций используется специальная микробиблиотека.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Структурная схема Triscend ES

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
Структурная схема Triscend ES
MCU – микропроцессорное устройство.
CSL – конфигурируемая системная логика.
PIO – порты ввода/вывода.
CSI – конфигурационная система передачи.
DMA – контроллер ПДП.
MIV – контроллер внешней памяти объёмом до 256 Кб.
Пользователь может программировать CSL, PIO и CSI.
Для проектирования используется пакет System Designer:
1. AVR Assembler v.1.3
2. Редактор языка описания аппаратуры HDL planer (VHDL – Verilog)
3. Синтезатор языка описания аппаратуры (сокращенная библиотека логических элементов FPGA, Atmel)
4. Среда размещения и разводки FPGA.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
32-разрядные микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI
Основные характеристики:
- 32-разрядный RISC процессор.
- 32-разрядная адресация - линейное адресное пространство в 4 Гбайта.
- Тридцать один 32-разрядный регистр общего назначения и шесть регистров состояния.
- Регистры адресов, записи и конвейера.
- Циклическое сдвиговое устройство и перемножитель.
- Трехуровневый конвейер (выборка команды, ее декодирование и выполнение).
- Быстрый отклик на прерывания применений реального масштаба времени.
- Поддержка систем виртуальной памяти.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
32-разрядные микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
32-разрядные микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI
32-разрядная система команд ядра ARM7 содержит одиннадцать базовых типов команд:
- два типа используют встроенное арифметико-логическое устройство, циклическое сдвиговое устройство и умножитель при операциях над данными в банке из 31 регистра, форматом по 32 разряда каждый;
- три класса команд управления перемещением данных между памятью и регистрами, один оптимизированный на обеспечение гибкости адресации, другой под быстрое контекстное переключение и третий под подкачку данных;
- три команды управляют потоком и уровнем привилегии выполнения;
- три типа предназначены для управления внешними сопроцессорами, что позволяет расширить функциональные возможности системы команд за пределами ядра.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра КИТС Кораблев Н.М.
32-разрядные микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI
Интерфейс с памятью у процессора ARM7TDMI организуется следующими основными элементами:
- 32-разрядной шиной адреса, определяющей адрес ячейки памяти, которую необходимо использовать.
-32-разрядной двунаправленной шиной передачи данных D[31:0], плюс двумя отдельными однонаправленными шинами данных DIN[31:0] и DOUT[31:0], через которые перемещаются команды и данные. Данные могут иметь формат слова, полуслова или байта.
- сигналами управления, определяющими, например, формат перемещаемых данных и направление их передачи и, кроме того, уровень приоритета.