基于ARM的SoC设计入门

要设计一个基于ARM的SoC，我们首先要了解一个基于ARM的SoC的结构。图1是一个典型的SoC的结构：


图1
从图1我们可以了解这个的SoC的基本构成：

• ARM core：ARM966E
• AMBA 总线：AHB+APB
• 外设IP(Peripheral IPs)：VIC(Vector Interrupt Controller), DMA, UART, RTC, SSP, WDT……
• Memory blocks：SRAM, FLASH……
• 模拟IP：ADC, PLL……

如果公司已经决定要开始进行一个基于ARM的SoC的设计，我们将会面临一系列与这些基本构成相关的问题，在下面的篇幅中，我们尝试讨论这些问题。

1. 我们应该选择那种内核？
的确，ARM为我们提供了非常多的选择，从下面的表-1中我们可以看到各种不同ARM内核的不同特点：


表1
ARM已经给出了基本的参考意见：

• 如果您在开发嵌入式实时系统，例如汽车控制、工业控制或网络应用，则应该选择Embedded core。
• 如果您在开发以应用程序为主并要使用操作系统，例如Linux, Palm OS, Symbian OS 或 Windows CE等等，则应选择Application core。
• 如果您在开发象Smart card，SIM卡或者POS机一样的需要安全保密的系统，则需要选择Secure Core。

举个例子，假如今天我们需要设计的是一个VoIP电话使用的SoC，由于这个应用不需要使用到操作系统，所以我们可以考虑使用没有MMU的内核。另外由于网络协议盏对实时性的要求较高，所以我们可以考虑ARM9系列的内核。又由于VoIP有语音编解码方面的需求，所以需要有DSP功能扩展的内核，所以ARM946E-S或ARM966E-S应该是比较合适的选择。
当然，在实际工作中的问题要比这个例子要复杂的多，比如在上一个例子中，我们也可以选择ARM7TDMI内核加一个DSP的解决方案，由ARM来完成系统控制以及网络协议盏的处理，由单独的DSP来完成语音编解码的功能。我们需要对比不同方案的面积，功耗和性能等方面的优缺点。同时我们还要考虑Cache size，TCM size，实际的内核工作频率等等相关问题，所以我们需要的一个能构快速建模的工具来帮助我们决定这些问题。现在的EDA工具为我们提供了这样的可能，例如Synopsys®的CCSS（CoCentric System Studio）以及Axys®公司的Maxsim®等工具都可以帮助我们实现快速建模，并在硬件还没有实现以前就可以提供一个软件的仿真平台，让我们在这个平台上进行软硬联仿，评估我们设想的硬件是否满足需求。

2.我们应该选择那种总线结构？
在提供内核给我们的同时，ARM也提供了多种的总线结构。例如ASB，AHB，AHB lite，AXI等等，在定义使用何种总线的同时，我们还要评估到底怎样的总线频率才能满足我们的需求，而同时不会消耗过多的功耗和片上面积。这就是我们平时常说的Architecture Exploration的问题。
和上一个问题一样，这样的问题也需要我们使用快速建模的工具来帮我们作决定。通常，这些工具能为我们提供抽象级别很高的TLM（Transaction Level Models）模型来帮助我们建模，常用的IP在这些工具提供的库中都可以找到，例如各种ARM core，AHB/APB BFM（Bus Function Model），DMAC以及各种外设IP。这些工具和TLM模型提供了比RTL仿真快100～10000倍的软硬联仿性能，并提供系统的分析功能，如果系统架构不能满足需要，那么瓶颈在系统的什么地方，是否是内核速度不够？总线频率太低？Cache太小？还是中断响应开销太多？是否需要添加DMA？等等，诸如此类的问题，我们多可以在工具的帮助下解决。
当然，机器不是万能的，不要指望工具能告诉你问题在哪里并告诉你怎么解决，工具能提供给你的只是一些统计的数据，而需要我们工程师去分析问题出在哪里并想出解决办法，所以熟悉AMBA体系结构和ARM内核是非常必要的。

3.如何选择外设IP，使用现成的IP还是自己定制？
使用IP最大的优势是Time to Market，ARM提供了相当多的外设IP供我们选择。ARM提供的外设IP集（PrimeCell® IP）包括了常用的绝大部分外设，我们可以参考表2：


表2：
PrimeCell®的IP一直在增加，ARM会不定期在网站上公布最新可用的PrimeCell® IP，详情情参考：
http://www.arm.com/products/solutions/PrimeCellPeripherals.html
ARM除了提供这些IP的RTL之外，还提供这些外设的驱动程序及测试程序。
使用现成IP方便的，但同时也带来灵活性的限制。举个例子，当我们需要一个SPI总线接口的时候，我们应该使用ARM的SSP(Synchronous Serial Interface)这个IP，但是这个IP为了提供能与Motorola SPI，TI SSP，NS Microwire都兼容的功能，牺牲了片上面积，导致IP复杂度增加了。如果我们的应用仅仅是需要和Motorola SPI的标准兼容，那我们又何必需要一个这样复杂的IP呢？
自己定制IP虽然得到了灵活性的优势，但是确需要设计工程师完成自己的一套验证，同时也要为这个IP开发驱动程序，工作增加了许多。我的建议是具体情况具体分析，在选择IP的时候也可以考虑第三方公司提供的基于AMBA总线标准的IP，比如Synopsys®的DesignWare® IP库中就有很多基于AMBA标准的IP可供选择，有时这些IP能够提供比ARM的IP更好的灵活性并同时使用更少的片上面积和功耗。比如同样是Memory Controller，DesignWare®的DW_memctl就比ARM的MPMC(Multi-port Memory Controller)更灵活，可以定制更多的参数。关于DesignWare® IP的详细资料，请参考：
http://www.synopsys.com/products/designware/designware.html