x86構(gòu)架的SoC及STPC的一種應用

摘要：講述x86構(gòu)架的SoC的發(fā)展及近況，并描述一種基于STPC-Industrial芯片的網(wǎng)絡終端設備的設計與實現(xiàn)。這種網(wǎng)絡終端設備具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功能強、軟件適應性強的特點。 關(guān)鍵詞：SoC STPC DoC 新世紀電子工程師們面臨的一個重要課題就是如何面對國民經(jīng)濟和社會生活的信息化挑戰(zhàn)。以網(wǎng)絡通信、軟件和微電子為主要標志的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，既為我們提供了一個前所未有的發(fā)展機遇，也營造了一個難得的市場與產(chǎn)業(yè)環(huán)境。隨著電子工業(yè)中深亞微米、超深亞微米技術(shù)的突破，以往電子工程師們擅長的電路設備正在一步步被IC設計所取代。也正是由于這種小型化的趨勢，使得SoC(System on Chip)成為超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展趨勢和新世界集成電路的主流。 1 x86構(gòu)架的SoC 對于計算機的核心—CPU來說，從應用的角度可將其分為主要的三類：x86 CPU、嵌入式CPU和其它高性能CPU。x86 CPU是指PC用的CPU，即x86體系結(jié)構(gòu)的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD和威盛(Cyrix)等公司與其兼容的CPU;嵌入式 CPU是指應用了各種小型、專用信息設備里的CPU，主要是以低價格、低功耗為特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU;其它高性能CPU是指用于于服務器和超級計算機中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人們常說的“通用CPU”，一般是指x86 CPU。上述所謂“通用”或“專用”的分類都是不大嚴格的，例如ARM公司的CPU是“嵌入式CPU”，但它也非常通用;x86 CPU是“通用CPU”，但它也可以用在嵌入式設備上，而且現(xiàn)在x86 CPU的性能很高，在服務器上也有廣泛的應用。所以，這些分類都是相對的，只是在一定程序上反映這些CPU的特性。 SoC的出現(xiàn)，尤其是x86構(gòu)架的SoC擴展了嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域，同時也推出了嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟件的發(fā)展，使得消費類電子產(chǎn)品的應用領(lǐng)域更加寬廣。實際上，目前SoC已經(jīng)成為整個IC技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。現(xiàn)在，大家都在談論全球 PC市場發(fā)展速度的趨勢、談論所謂的“后PC時代”、談論信息家電。盡管2001年全球半導體產(chǎn)值將衰退20%以上，是半導體產(chǎn)業(yè)有史以來最大幅度的負增長，不過SoC技術(shù)的應用卻是有增無減。2000年約有40%的ASIC設計使用SoC技術(shù)，2001年有60%以上的ASIC設計使用SoC技術(shù)，顯然這并不是一個終結(jié)數(shù)字。 圖1 總體框圖 2 STPC 意法半導體公司(STMicroelectronics，簡稱ST)是最早充分認識到SoC技術(shù)對消費電子業(yè)意義的芯片制造廠商之一。正是由于ST具有敏銳的洞察力，當然不會放過兼容Intel x86 CPU的SoC市場。1995年，當ST的新風險組織(NVG)意識到越來越多的嵌入式應用需要構(gòu)建PC結(jié)構(gòu)的平臺，而ST也有能力和技術(shù)在單一芯片為用戶提供這樣的一個平臺時，STPC就誕生了。今天，STPC已經(jīng)能夠提供從486到PII級的、整合了芯片集的x86構(gòu)架的SoC。 STPC高度綜合的x86 PC兼容SoC設備家族中的3個新設備是建立在0.25μm技術(shù)上的。該技術(shù)允許它們提供高度綜合、低能源消耗和低成本。它們是：STPC- Client、STPC-Customer II和STPC Industrial。其共有的功能如下： *64位、133MHz x86兼容的CPU; *8KB L1高速緩存; *轉(zhuǎn)移率為720MB/s的64位SDRAM內(nèi)存控制器; *PC兼容的DMA、中斷、定時控制器; *ISA和PCI總線控制器; *總線控制EIDE控制器; *JTAG測試端口。 每種STPC設備的目標都有不同類型的應用。 ①STPC-Client。“無組織應用”的“服務器產(chǎn)品引擎”。典型的應用是帶有存儲器的網(wǎng)絡、防火墻、Web服務器、傳真服務器、打印服務器、家庭網(wǎng)關(guān)、路由器、PBX等。 STPC-Client增加的功能： *16線通用I/O模塊。 ②STPC-Customer II。使用TV或監(jiān)控器來實現(xiàn)顯示和視頻性能的產(chǎn)品的“TV產(chǎn)品引擎”。典型的應用是Web盒、可訪問Web的TV和TV機頂盒、Web DVD等。 STPC-Customer II增加的功能： *帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速; *PAL/NTSC TV視頻輸出接口; *視頻輸入端口。 ③STPC Industrial。帶有CRT或TFT LCD顯示的產(chǎn)品和終端的“上網(wǎng)產(chǎn)品/終端引擎”。典型的應用是Internet終端、瘦型客戶機終端、Web電話、Web便簽簿、汽車導盤設備和娛樂系統(tǒng)。 STPC-Industrial增加的功能： *帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速功能; *TFT LCD顯示接口; *視頻輸入端口; *PS/2鍵盤和鼠標; *PC兼容的雙UART和并行端口; *雙USB主機集線器; *PCMCIA/Cardbus控制器。 圖2 STPC-Industrial的邏輯結(jié)構(gòu) 3 基于STPC-Industrial的設計應用 正是由于STPC為我們提供了設計PC構(gòu)架的嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使得嵌入式應用能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。 下文介紹一種基于STPC-Industrial的平板網(wǎng)絡終端設備的設計與實現(xiàn)。該設備工作于各種互聯(lián)網(wǎng)絡中，通過運行在DoC(Disk on Chip)上的程序完成一個個網(wǎng)絡節(jié)點的輸入/輸出。該設備的總體框圖如圖1所示。 (1)PC部分 該設備的核心PC部分采用的是STPC-Industrial芯片，圖2是STPC-Industrial芯片的邏輯結(jié)構(gòu)圖。 系統(tǒng)配置： 133M x86 CPU、128K BIOS、64MB DRAM、2個串口、USB接口、15英寸LCD。 (2)網(wǎng)卡部分 該設備采用的是PCI接口的，10/100M自適應網(wǎng)絡控制器—AM79C973。由它來構(gòu)成網(wǎng)絡接口。 (3)Disk on Chip 作為一個嵌入式系統(tǒng)，該設備并不需要配備大容量的硬盤，而只需將嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序存放于一個64MB容量的DoC中，即可滿足應用要求。DoC中的程序可通過網(wǎng)絡下載，也可在調(diào)試過程中通過調(diào)試用的串口編制。 DoC占用系統(tǒng)0CC00:0～0CFFF:F這16K的空間。DoC的譯碼及控制邏輯由Lattice公司的CPLD產(chǎn)品—iM4A5 192/96中的邏輯實現(xiàn)。該邏輯在Lattice公司的EDA工具—ispDESIGN EXPERT下用Verilog HDL語言編寫完成。 (4)操作系統(tǒng)及應用軟件 該設備為用戶提供的是一個完整的網(wǎng)絡終端解決方案。用戶可根據(jù)需要將一個簡化的操作系統(tǒng)和應用程序通過網(wǎng)絡下載到DoC上，構(gòu)成一個完整的網(wǎng)絡終端。 (5)特點及應用領(lǐng)域 由于該設備提供的是一個較為通用的硬件平臺，故具有相當?shù)撵`活性，即只需將應用軟件稍加改動或添加少量的設備就可適用于更多的領(lǐng)域。如： ①采用工業(yè)級或軍用芯片，并對機箱進行加固處理，即可構(gòu)成適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的瘦型網(wǎng)絡終端或軍用領(lǐng)域的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的硬件平臺; ②與GPS設備相連接，并加裝存放電子地圖的大容量USB硬盤，在該設備上運行GIS，即可適用于汽車電腦、船只導航等領(lǐng)域。 這種基于STPC的網(wǎng)絡終端設備最大的特點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功能強大、軟件適用性強。該設備可作為瘦型網(wǎng)絡終端廣泛應用于銀行、證券等金融機構(gòu)和公共網(wǎng)絡接入的柜臺、查詢等業(yè)務，同時也可作為網(wǎng)絡終端節(jié)點應用于工業(yè)控制領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域，具有良好的市場前景。 綜上所述，SoC是未來IC的發(fā)展方向，尤其是x86構(gòu)架的SoC更是為嵌入式系統(tǒng)的應用開辟了新的天地。它的發(fā)展將推動科學研究、科技發(fā)展，并且可以給我們帶來更多具備多樣化功能和多用途的產(chǎn)品。