SoC微控制器的總線設(shè)計(jì)
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設(shè)計(jì)者和芯片供應(yīng)商常常借鑒板級(jí)及系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)技術(shù)，以便在最短的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)以最低的開(kāi)發(fā)成本進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)。由于手機(jī)和PDA等設(shè)備對(duì)確定性的實(shí)時(shí)響應(yīng)需求很少，所以傳統(tǒng)解決方案在此類應(yīng)用中表現(xiàn)還不錯(cuò)。
但在許多新的聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)總線架構(gòu)不能滿足共享總線對(duì)高帶寬及高密度數(shù)據(jù)流的需求，在下列應(yīng)用中尤其如此，如工業(yè)用人機(jī)界面(HMI)網(wǎng)絡(luò)顯示、POS終端設(shè)備，具有不同數(shù)據(jù)帶寬需求的彩色打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)投影儀和監(jiān)視攝像機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、數(shù)字復(fù)印機(jī)、多功能一體機(jī)、傳真機(jī)和掃描儀等。
許多基于片上串行互連的替代方案正在研發(fā)中，這些替代方案類似于串行結(jié)構(gòu)、交叉交換(crossbar switch)和基于數(shù)據(jù)包的總線。在這些新方案得以完善之前，鑒于時(shí)間和成本壓力，必須找到能修改從板級(jí)設(shè)計(jì)借鑒過(guò)來(lái)的共享總線架構(gòu)的方法，以滿足新的32位嵌入式聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)確定性和實(shí)時(shí)性的要求。
傳統(tǒng)SoC總線的優(yōu)缺點(diǎn)
SoC開(kāi)發(fā)者不愿意放棄這種通用共享總線，因?yàn)樗梢詼p少設(shè)計(jì)周期中的規(guī)范制定及驗(yàn)證工作，能使SoC的高層次集成如同將擴(kuò)展卡插到背板上一樣簡(jiǎn)單。通過(guò)采用通用總線，開(kāi)發(fā)者可以集中精力投入到更高層次的決策中。
ARM公司在高級(jí)微控制器總線架構(gòu)(AMBA)中采用通用總線，允許獲得許可的使用者專注于自己的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，從而快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
微處理器、DMA控制器、存儲(chǔ)器控制器及其它更高性能的模塊通過(guò)AHB連接。性能較低的模塊，比如UART、通用輸入/輸出(GPIO)及定時(shí)器等，則通過(guò)APB連接。
但是，基于ARM的SoC所瞄準(zhǔn)的許多高端嵌入式應(yīng)用，要求它們?cè)谔幚磉@些應(yīng)用的確定性與實(shí)時(shí)性需求的同時(shí)，還可以訪問(wèn)高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
這些應(yīng)用要求SoC能夠發(fā)出控制信號(hào)、采集數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。基于不同的網(wǎng)絡(luò)特性及其帶寬要求，現(xiàn)有SoC總線架構(gòu)的性能將會(huì)得到盡可能的提升，例如，高端聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用可能要處理通過(guò)以太網(wǎng)連接從照相機(jī)傳輸?shù)酱蛴C(jī)的視頻數(shù)據(jù)位流，或從服務(wù)器傳輸?shù)酱蛴C(jī)的圖像，與此同時(shí)還可能根據(jù)與掃描、刷新和更新周期有關(guān)的確切要求對(duì)本地LCD顯示進(jìn)行更新。使用外部LCD時(shí)，LCD控制器必須知道通過(guò)該總線傳輸?shù)木唧w字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)發(fā)送順序以及數(shù)據(jù)在顯示器上顯示的特定時(shí)隙和順序，同時(shí)也很必要將信息不斷地饋送給LCD用于更新。
共享總線的概念并不能滿足SoC中的這些要求。在典型的AHB設(shè)計(jì)中，總線主控是總線上全部的主要資源，也就是說(shuō)，當(dāng)總線空閑時(shí)，它們可向總線請(qǐng)求完成一個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間。但在基于ARM的SoC中，程序設(shè)計(jì)者不能直接控制當(dāng)它們掌管總線時(shí)可得到多少總線資源。
共享總線架構(gòu)用多種方式來(lái)區(qū)分這些操作的優(yōu)先次序，包括：菊花鏈仲裁、集中式并行仲裁、基于自選或沖突監(jiān)測(cè)的分布式仲裁以及帶多個(gè)總線請(qǐng)求的總線仲裁。但當(dāng)指定的主控接管總線后，其他操作就會(huì)擱置在一邊。目前還沒(méi)有一種機(jī)制能夠讓多個(gè)資源同時(shí)訪問(wèn)總線，使其既滿足應(yīng)用要求，又不會(huì)影響其他重要操作提供確定性及實(shí)時(shí)性響應(yīng)的能力。
在AMBA環(huán)境中處理這類情況的一種通用方法是使用仲裁通道。如果有六個(gè)總線主控，總線便設(shè)計(jì)成有六個(gè)仲裁通道。但是，片上仲裁邏輯根據(jù)請(qǐng)求訪問(wèn)該總線的主控?cái)?shù)目來(lái)分配這些通道，而不是把每個(gè)通道指定給某個(gè)特定的主控。如果有四個(gè)主控請(qǐng)求訪問(wèn)總線，則這六個(gè)通道會(huì)在這四個(gè)主控之間進(jìn)行分配，確保每個(gè)主控有平等的機(jī)會(huì)訪問(wèn)該總線。
然而，這并不能解決如何分配足夠的總線帶寬以完成某一特定任務(wù)這一基本問(wèn)題。若其中一個(gè)操作需要三個(gè)通道，而其它操作總共只需要兩個(gè)通道，則每一種操作將會(huì)分配到相同數(shù)量的可用通道空間。其結(jié)果是，有的通道沒(méi)有充分利用(甚至根本沒(méi)用到)，而有的則超負(fù)荷使用，影響SoC在極低延遲內(nèi)對(duì)事件進(jìn)行確定性響應(yīng)的能力。
可編程總線帶寬控制系統(tǒng)
因此，需要一種可編程的總線帶寬分配方案，在某一特定時(shí)刻為某一特定的主控分配其所需的總線配置，并將剩余的總線空間分配給其它可能要求訪問(wèn)該總線的主控。由于這種方案可能隨時(shí)間改變，因此需要一種機(jī)制以便按照常規(guī)原理重新分配總線資源。
圖1：NS9xxx的帶寬控制系統(tǒng)
評(píng)論