SoC前段(ARM)嵌入式系统开发实作训练(上)

一个嵌入式系统的核心在于CPU，当CPU选定后，其他的问题就可慢慢就绪。SoC|0">SoC嵌入式系统的实现可把它分为：一应用型SoC嵌入式系统、开发型SoC嵌入式系统二种型态，这二种型态的软硬体开发有着不小的差异，但首先碰到的都是CPU的选定。这里笔者会针对它们的异同处做说明，再来描述ARM CPU、指令、系统管理、开发实作训练平台(PreSoCes)、Linux与程式等，以建立SoC嵌入式系统的整体轮廓概念，并在实作中培养、训练出开发技能与创新能力。

应用型SoC嵌入式系统是指在一个现成的SoC元件上加入软体(或OS)，使成一系统；而开发型SoC嵌入式系统是指SoC元件还在建构中，它会选择仅适用的IP包入并做底层软体测试，以方便未来建立OS，而达成最有竞争力的组合。应用型SoC嵌入式系统所要面对的问题有：选用Turn-key(雏型半成品)方案或自己建构方案、CPU选择、OS选择，以及开发工具、ICE、Debugger、Compiler等的选择，每一种都彼此相关，因此要站在系统产品开发的角度来考量。

假如是选用Turn-key方案，那只要修改部分自己想要的软体即可，这种产品大都属于大量生产又具市场快速反应的特质。软体是系统产品功能的展现，系统大都会挂上一OS，因ARM CPU的设计就是为了放上OS而设计的，因CPU有好几种执行模式以方便task switch用。软体可分为BIOS、Kernel、Device driver、Application S/W等。

在Linux OS上就有Debug的功能，方便软体除错，对于Application软体来说是方便的，但碰上BIOS与Device driver就不足以应付了，就像早期产品开发一样，烧入程式再想想错在哪里，多么没有效率，因此如果有ICE与Debugger工具，那就更有效率了。

至于开发型SoC嵌入式系统大都是SoC IC设计公司的开发型态，SoC的内含是由市场需求而定位出，一个个IP元件再慢慢加上去，并验証之。但问题在于，纯软体的验証实在很难完全达到Co-design的100%验証，在没有更完美的解决之前，其他的方式就因应而生。也由于FPGA技术快速的进步，就把它拿来当成新加入IP功能验証的硬体元件，不仅如此，更方便软硬体整合Co-design的前段功能验証，IP的开发就多了一层保障。

在软体方面，BIOS、Device driver就紧紧地连接着硬体。在这时，当整个OS未建立起来时，就需要ICE与Debugger来帮助CPU驱动程式的除错，以验証程式执行对各IP元件驱动正常否。SoC IP的设计是另一门大学问，就不在此描述。在经过初步功能验証后，SoC IC就慢慢成型，方便日后产出后再加上OS。

在以上二种型态的SoC嵌入式系统中，它的重点不外乎是ARM CPU、OS、ICE和Debugger、FPGA、SoC。当然不一定要用ARM CPU，也可採用MIPS或其他的，只是目前全球CPU IP市场佔有率，还是非他莫属。以下笔者就针对这些重点做描述并在实作训练平台(PreSOCes)上展现各重点技术的开发与训练步骤。首先就针对PreSoCes作一简单描述，以方便各重点技术在实作说明时衔接起来。


PreSoCes
PreSoCes的实作功能有哪些？它是专门针对SoC嵌入式系统开发、训练而设计的平台，它是一个ICE(Pocket ARM ICE或Carrier ARM ICE)、Domingo Debugger、Creator组合而成。系统上特点：一、在WINDOWS环境就能操作Linux 系统，不需另灌一台Linux PC，也就是一台PC就能开发Embedded Linux。二、具有Linux OS Debugging的Debugger。Creator它的特点很多，但主要有(1).在Creator上，可更换CPU模组，如用不同的ARM CPU，或具ARM Core的FPGA模组，其他的MIPS CPU也是考虑之一。(2).在Creator上，可更换性的週边IP FPGA模组，如：Create Ph-FPGA-XC2S。(3).电流量测，可对CPU、Memory、LCD、Compact Flash、CMOS Sensor、USB、Ethernet等作量测。其他功能特点如下：

CPU：
˙ARM7TDMI S3C4510(Factory out standard)

CPU模组更换：(另选)
˙Create-ARM922T板(另选)、Altera EPXA1 100K Gates
˙ARM9 TDMI S3C2410 CPU板(另选)
˙其他CPU板(另选)
˙其他大容量FPGA 板(另选)

记忆体(Memory)：
˙2MB Bytes Flash ROM
˙16M Bytes SDRAM support byte, half-word, word size
˙Access Compact flash card(compact flash card optional)
˙SDRAM Memory Expansion connector

通讯传输(Communication)：
˙RS232C port for Debug Console
˙RS232 port for Application
˙RJ-45 10/100 Base-T Ethernet interface
˙USB 1.1 interface

人机界面(Human-Machine Interface)：
˙Codec function with Speaker, Microphone circuit
˙CMOS Camera Module
˙4×4 Keypad
˙LED Lamp X 8;７-Seg LED X 4；8 Pin DIP Switch
˙Graphic LCD Display by 4 Level

系统支援(Board System)：
˙1*system reset switch
˙1*JTAG connector
˙Real time clock by I2C interface
˙EEPROM 128×8 Bit
˙Clock changeable for CPU
˙可针对CPU、Memory、LCD、Compact Flash、CMOS sensor、Codec、USB、UART、EtherNet、etc作电流量测

週边IP FPGA模组更换：(另选)
˙Create Ph-FPGA-XC2S板(另选)
˙其他FPGA或CPCD模组(另选)

作业系统(Operating System)：
˙Running uClinux
˙Others

ARM CPU
在初步了解PreSoCes功能后，就来看看嵌入式系统的核心ARM CPU，在这里以ARM Core S3C4510元件为说明。为何要学ARM CPU呢？因嵌入式系统是软、硬体的整合，它有BISO、Device driver，能不了解CPU吗？又加上如未来要走入SoC IP设计，那又更不能不了解它，所以笔者仅取重点说明。
■ARM7TDMI核心的主要组成
〈1〉.暂存器组(register bank)：ARM7TDMI利用暂存器组来储存微处理器内部各种操作模式的运算域及CPU状态。暂存器组中的所有暂存器至少具有两个读取埠(read port)与一个写入埠(write port)以供存取暂存器之用，较为特殊是R15，有三个读取埠与两个写入埠。
〈2〉.桶型位移暂存器(barrel shifter)：ARM7TDMI利用barrel shifter来执行位元位移或旋转，这是一般DSP常用的功能之一。
〈3〉.算术逻辑运算单位(ALU)：ARM7TDMI利用ALU来执行算术与逻辑运算。
〈4〉.位址暂存器(address register)与累增器(incrementer)：ARM7TDMI利用位址暂存器与累增器来选择并维持记忆体定址功能，以产生连续或非连续的记忆体位址。
〈5〉.资料暂存器(data register)：ARM7TDMI使用资料暂存器来保存资料以与记忆体彼此沟通。
〈6〉.指令解码器(instruction decoder)：ARM7TDMI利用指令解码器以产生与指令相对应的控制信号。