基于ARM內(nèi)核的手持設(shè)備SoC

摘??? 要：本文研究并開發(fā)了一款針對(duì)手持設(shè)備、內(nèi)嵌arm7tdmi內(nèi)核的系統(tǒng)芯片。在設(shè)計(jì)這款芯片的過程中，mp3算法的軟硬件分割和芯片的低功耗設(shè)計(jì)是主要挑戰(zhàn)。本文介紹了該系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)，并著重介紹了軟硬件分割和低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。
　　關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片；低功耗；arm；mp3引言
　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和芯片設(shè)計(jì)方法—ip重用技術(shù)的出現(xiàn)，soc在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中已經(jīng)越來越普遍。本課題組去年啟動(dòng)了稱為garfield的soc項(xiàng)目。garfield定義為一款面向中低端pda的嵌入式處理器，支持顯示器件接口、存儲(chǔ)控制器、通訊控制器和多媒體應(yīng)用等。多目標(biāo)圓片(mpw)試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，garfield基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)也符合原來的定義。
　　在garfield開發(fā)過程中，克服了許多挑戰(zhàn)。首先是驗(yàn)證工作，60%以上的開發(fā)時(shí)間都是用來保證芯片沒有功能性問題。其次，低功耗對(duì)于電池供電的手持終端而言是一個(gè)關(guān)鍵問題，必須采用大量低功耗技術(shù)來保證系統(tǒng)不損耗不必要的功率和運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。第三，由于arm7tdmi內(nèi)核的速度限制和mp3的算法復(fù)雜度，mp3軟解碼無法在基于arm7tdmi的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播放。因此必須在芯片內(nèi)包含mp3硬件加速引擎，確認(rèn)mp3哪一部分的算法需要在硬件加速引擎中實(shí)現(xiàn)，這就需要軟硬件分割并在系統(tǒng)級(jí)評(píng)估其性能，使用最少的硬件資源實(shí)現(xiàn)mp3的實(shí)時(shí)播放。
garfield結(jié)構(gòu)
　　其體系結(jié)構(gòu)包括cpu內(nèi)核、片上總線和其它的外設(shè)。

　　arm公司不僅提供微處理器內(nèi)核，還提供各種易用的工具，比如調(diào)試工具、軟件開發(fā)包、原型樣機(jī)開發(fā)包等，其微處理器內(nèi)核以低功耗見長(zhǎng)。目前amba最新的版本是amba 3.0，但amba 2.0的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)而言更加成熟，并且有很多成功案例，所以選擇amba 2.0作為garfield的片上總線。amba包含高速總線ahb和低速總線apb。ahb是為高速、高性能的外設(shè)設(shè)計(jì)的骨干總線，garfield通過ahb把存儲(chǔ)器控制器、內(nèi)核、片上sram、顯示控制器、多媒體加速引擎和dma等模塊連接起來。apb是為低速、低功耗的外設(shè)設(shè)計(jì)的，它不提供“突發(fā)”模式的數(shù)據(jù)傳輸，所有其它不需要高數(shù)據(jù)帶寬的外設(shè)都通過apb連接。在ahb和apb之間則通過一個(gè)橋(bridge)連接。

　　在嵌入式微處理器中，外存控制器必須支持多種不同類型的外存。此外，嵌入式設(shè)備還經(jīng)常使用一些卡(比如cf卡、mmc卡等)來備份或者擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)nor-flash結(jié)構(gòu)的nand-flash，nand-flash具有容量大、便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此支持nand-flash有助于降低系統(tǒng)成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

　　盡管純軟件解碼的mp3可以在28mhz的arm7tdmi平臺(tái)上完成實(shí)時(shí)解碼，但是這類mp3解碼程序需要高度優(yōu)化的解碼軟件和大容量的零等待存儲(chǔ)器。對(duì)于garfield這類面向中低端、低成本手持設(shè)備的嵌入式微處理器而言，要集成大容量的片上sram是不可能的。而在garfield中只有20k的片上sram用于存儲(chǔ)常用的mp3解碼子程序、中斷服務(wù)程序等。mp3解碼之后得到的音頻數(shù)據(jù)pcm碼通過dma傳輸?shù)絘c97控制器，最后送到片外的codec中播放音樂。

　　lcd在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，所以garfield支持黑白、灰度和彩色的lcd屏。lcd控制器中內(nèi)嵌了一個(gè)優(yōu)化的灰度調(diào)制算法，因此在較低刷新頻率(68hz)下，也可以消除灰度顯示中的“紋波”和“漂移”等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

　　garfield支持高速的usb通訊，也支持低速的串口通訊和紅外通訊。
低功耗
　　低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于電池供電的手持終端而言至關(guān)重要。cmos數(shù)字電路的功耗有兩類：一是由于電路節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電容充放電引起的動(dòng)態(tài)功耗；二是由于電路漏電流帶來的靜態(tài)功耗。在cmos電路中，動(dòng)態(tài)功耗是功耗的主要來源，另外系統(tǒng)處于sleep模式下的靜態(tài)功耗也是影響電池壽命的一個(gè)重要因素。為了降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗，必須使得那些不需要翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)盡可能地少翻轉(zhuǎn)以節(jié)省功耗。在garfield中使用了兩種降低動(dòng)態(tài)功耗的手段：一是關(guān)閉當(dāng)前不使用的模塊并截?cái)嗥鋾r(shí)鐘樹；二是使用門控時(shí)鐘降低節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)速率。

　　當(dāng)系統(tǒng)沒有用戶進(jìn)程需要服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)處于停頓(idle)狀態(tài)，但此時(shí)系統(tǒng)仍然會(huì)消耗大量的無用功耗。garfield使用四種功耗模式(normal, idle, slow和sleep)，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用，系統(tǒng)會(huì)選擇進(jìn)入不同的功耗模式以節(jié)省功耗。如果當(dāng)前應(yīng)用需要復(fù)雜的計(jì)算或者控制，garfield會(huì)進(jìn)入normal模式，此時(shí)所有工作模塊通過一個(gè)高速時(shí)鐘(來自于pll)來同步其操作。當(dāng)系統(tǒng)處于該模式下時(shí)，由于高速的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可能消耗大量的動(dòng)態(tài)功耗。如果系統(tǒng)認(rèn)為已經(jīng)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有用戶任務(wù)需要處理，garfield則會(huì)進(jìn)入idle模式，關(guān)閉arm7tdmi內(nèi)核，但是其它工作模塊(如lcd，觸摸屏等)仍然打開。idle模式除了節(jié)省內(nèi)核功耗外，更重要的是由于內(nèi)核關(guān)閉，它能節(jié)省大量的外存功耗。如果系統(tǒng)有一些經(jīng)常性但計(jì)算量較輕的任務(wù)，系統(tǒng)可以進(jìn)入slow模式，在此模式下，garfield使用一個(gè)外部晶體振蕩器產(chǎn)生的低速時(shí)鐘(10mhz)。slow模式對(duì)于某些應(yīng)用來說非常