高度集成的SoC迎接系统级设计的挑战

 

概要：夏普微电子设计了一系列基于ARM 内核的片上系统（SoC ），旨在解决目前设计领域那些最有挑战性的问题，其中包括如何平衡高性能与低功耗等。本文对这些设计中的难题进行了回顾，并且在夏普基于ARM720TTM 的Blue Streak SoC 的基础上，介绍了一些解决方案。

 
新一代PDA 正在越来越受到人们的关注。从简单的个人信息管理（PIM ）到商用无线销售终端（POS ），在这些复杂设计中，工程师们正面临着一些普遍的问题。
产品上市时间、成本、功耗、体积的最小化是此类产品设计的关键因素，夏普的SoC 产品为其中的某些问题提供了有效的解决方案。
夏普微电子开发的基于ARM 内核的Blue Streak 系列SoC，针对那些高层次要求的外设集成和功能集成问题。当工程师们在诸如Linux 那样的开放源码操作系统上进行PDA 开发的时候，在功能、性能与功耗之间的平衡，面临着很大的挑战。

虽然ARM 公司与许多世界知名的操作系统公司，如Symbian, Microsoft, Palm 等，通过密切的合作，对ARM 的体系结构有着非常好的支持，但即便如此，设计工程师们仍然面对着许多难题。

 
当芯片厂商面对这些复杂的设计提供一个SoC 解决方案的时候，必须强调一个“系统级设计”的概念，而不仅仅局限于芯片本身。这意味着芯片厂商不仅要有适应市场需求的芯片设备，还要能提供世界级的开发工具、评估板和驱动程序，以帮助设计工程师们缩短产品的上市时间。

 
电池寿命的长短也是决定一个产品成功与否的关键因素。消费者并不喜欢经常购买或者更换电池，一个便携式产品在每次充电之后的使用时间应该至少在8 小时以上。芯片设计时应该把功耗视为重要参数，ARM 内核是面向低功耗的设计，它的MIPS/Watt 是所有同类产品中最低的。夏普的LH79520 就是基于ARM720T 的产品，它能为工程师们提供若干种降低功耗的方法。LH79520 产品能够在几种不同的耗电状态下工作，从最高频率下的全速状态，到仅有一个32khz 时钟维持实时记时功能的休眠状态。这之间有很多的控制方法，使设计者们有最大的灵活性来根据需要动态地控制功耗，做到以最小的功耗得到最大的性能。

要考察一个芯片的性能，我们不能只关注它的运行时钟频率。在与MCU 内核协同工作的时候，许多相关因素都可以提升系统的性能水平。通过存储器管理单元（MMU），许多操作系统都可以管理系统任务和系统资源。片上存储器的集成可以使数据和代码存储在芯片内部，访问时间只需要单个周期；如果访问片外的存储器内容则必须花上2-3 个周期。总线带宽可以根据应用的需求而改变，高级系统常使用更宽的32 位数据总线，而对性能要求不高的低成本系统则可以使用16 位数据总线。LH79520 集成了8KB 的cache 、32 位SRAM 和一个MMU 来，支持72MHZ 的ARM 内核。

 
工程师们在为一个CPU 配备存储器的时候，有着非常广泛的设备选择范围。程序代码可以存在外部的ROM或Flash 中。但在通常的使用状态下， 代码和数据需要放在RAM 里面，这种存储器通常是外部的SRAM 或者DRAM，存储器的数量和种类随着应用程序的要求不同而不同，主要依赖于访问速度、容量和成本等几个因素。一个好的SoC 应该有支持各种类型和各种容量存储器的能力，例如夏普
的LH79520 就可以同时支持SRAM、SDRAM、Flash 和ROM。

 
图形用户界面（GUI）是PDA 的另一个常见特征。它们几乎无一例外地都使用液晶显示（LCD）。以前系统需要在CPU 外面扩展额外的功能以支持LCD，但现在夏普可以在SoC 芯片上面集成LCD 的控制器，这种集成降低了芯片数目，电路板的面积和系统的成本。由于不同PDA 需要的GUI 要求可能很不一样，LH79520 产品集成了一个功能强大的LCD 接口，支持单色和彩色STM、TFT 和HR-TFT 等LCD 模块。PDA 的差异性对LCD 解决方案的需求也非常多，LH79520支持从120 x 160 像素到最高800 x 600 像素的LCD 解决方案，同时还支持多种调色板和像素的彩色控制位。

 
PDA 除了上述这些比较通用的模块之外，还有其他一些主要的功能。比如实时时钟，可以用来驱动个人信息管理（PIM）系统的日历或POS 终端的时间印记；红外线通信可以在点到点的无线通信中使用；UART 被用作高速的串行数据通信通道；脉宽调制器（PWM）在模拟音频信号产生和电机驱动中得到广泛应用；等等。

 
SoC 芯片高性能、低功耗和丰富的外设支持等特点给PDA工程师设计性能优秀而成本低廉的产品带来了极大的帮助。当然，工程师们还必须得有一个高效的开发环境以支持他们的硬件和软件开发。因为ARM 是当今市场上RISC 芯片的领导者，有许多的公司为ARM 提供软、硬件开发工具支持。像软件方面就有许多集成开发环境（IDE）和为各种操作系统移植的板级驱动程序（BSP）。工具的多样性
使得工程师们有余地选择最适合于他们需求的工具，同时也允许软件工程师和硬件工程师并行开展同一个产品的研发工作，有效地缩短了产品开发周期。

PDA 设计工程师采用像LH79520 这样的新型SoC 芯片，能够得到许多的好处。高性能和低功耗结合的CPU 给PDA 带来了同样的高性能和长的电池使用时间。同时，高度集成的芯片和优秀的开发工具支持保证了快速和成功的产品开发过程。高度集成的SoC 芯片使得体积更小、成本更低的PDA 设计成为可能