x86构架的SoC及STPC的一种应用

新世纪电子工程师们面临的一个重要课题就是如何面对国民经济和社会生活的信息化挑战。以网络通信、软件和微电子为主要标志的信息产业的飞速发展，既为我们提供了一个前所未有的发展机遇，也营造了一个难得的市场与产业环境。随着电子工业中深亚微米、超深亚微米技术的突破，以往电子工程师们擅长的电路设备正在一步步被IC设计所取代。也正是由于这种小型化的趋势，使得SoC(System on Chip)成为超大规模集成电路(VLSI)的发展趋势和新世界集成电路的主流。 1 x86构架的SoC 对于计算机的核心—CPU来说，从应用的角度可将其分为主要的三类：x86 CPU、嵌入式CPU和其它高性能CPU。x86 CPU是指PC用的CPU，即x86体系结构的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD和威盛(Cyrix)等公司与其兼容的CPU;嵌入式CPU是指应用了各种小型、专用信息设备里的CPU，主要是以低价格、低功耗为特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU;其它高性能CPU是指用于于服务器和超级计算机中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人们常说的“通用CPU”，一般是指x86 CPU。上述所谓“通用”或“专用”的分类都是不大严格的，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设备上，而且现在x86 CPU的性能很高，在服务器上也有广泛的应用。所以，这些分类都是相对的，只是在一定程序上反映这些CPU的特性。 SoC的出现，尤其是x86构架的SoC扩展了嵌入式系统应用领域，同时也推出了嵌入式操作系统和嵌入式软件的发展，使得消费类电子产品的应用领域更加宽广。实际上，目前SoC已经成为整个IC技术发展的一个主要方向。现在，大家都在谈论全球 PC市场发展速度的趋势、谈论所谓的“后PC时代”、谈论信息家电。尽管2001年全球半导体产值将衰退20%以上，是半导体产业有史以来最大幅度的负增长，不过SoC技术的应用却是有增无减。2000年约有40%的ASIC设计使用SoC技术，2001年有60%以上的ASIC设计使用SoC技术，显然这并不是一个终结数字。 图1 总体框图 2 STPC 意法半导体公司(STMicroelectronics，简称ST)是最早充分认识到SoC技术对消费电子业意义的芯片制造厂商之一。正是由于ST具有敏锐的洞察力，当然不会放过兼容Intel x86 CPU的SoC市场。1995年，当ST的新风险组织(NVG)意识到越来越多的嵌入式应用需要构建PC结构的平台，而ST也有能力和技术在单一芯片为用户提供这样的一个平台时，STPC就诞生了。今天，STPC已经能够提供从486到PII级的、整合了芯片集的x86构架的SoC。 STPC高度综合的x86 PC兼容SoC设备家族中的3个新设备是建立在0.25μm技术上的。该技术允许它们提供高度综合、低能源消耗和低成本。它们是：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高速缓存; *转移率为720MB/s的64位SDRAM内存控制器; *PC兼容的DMA、中断、定时控制器; *ISA和PCI总线控制器; *总线控制EIDE控制器; *JTAG测试端口。 每种STPC设备的目标都有不同类型的应用。 ①STPC-Client。“无组织应用”的“服务器产品引擎”。典型的应用是带有存储器的网络、防火墙、Web服务器、传真服务器、打印服务器、家庭网关、路由器、PBX等。 STPC-Client增加的功能： *16线通用I/O模块。 ②STPC-Customer II。使用TV或监控器来实现显示和视频性能的产品的“TV产品引擎”。典型的应用是Web盒、可访问Web的TV和TV机顶盒、Web DVD等。 STPC-Customer II增加的功能： *带有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的图形加速; *PAL/NTSC TV视频输出接口; *视频输入端口。 ③STPC Industrial。带有CRT或TFT LCD显示的产品和终端的“上网产品/终端引擎”。典型的应用是Internet终端、瘦型客户机终端、Web电话、Web便签簿、汽车导盘设备和娱乐系统。 STPC-Industrial增加的功能： *带有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的图形加速功能; *TFT LCD显示接口; *视频输入端口; *PS/2键盘和鼠标; *PC兼容的双UART和并行端口; *双USB主机集线器; *PCMCIA/Cardbus控制器。 图2 STPC-Industrial的逻辑结构 3 基于STPC-Industrial的设计应用 正是由于STPC为我们提供了设计PC构架的嵌入式系统的基础，使得嵌入式应用能够实现更多的功能。 下文介绍一种基于STPC-Industrial的平板网络终端设备的设计与实现。该设备工作于各种互联网络中，通过运行在DoC(Disk on Chip)上的程序完成一个个网络节点的输入/输出。该设备的总体框图如图1所示。 (1)PC部分 该设备的核心PC部分采用的是STPC-Industrial芯片，图2是STPC-Industrial芯片的逻辑结构图。 系统配置： 133M x86 CPU、128K BIOS、64MB DRAM、2个串口、USB接口、15英寸LCD。 (2)网卡部分 该设备采用的是PCI接口的，10/100M自适应网络控制器—AM79C973。由它来构成网络接口。 (3)Disk on Chip 作为一个嵌入式系统，该设备并不需要配备大容量的硬盘，而只需将嵌入式操作系统和应用程序存放于一个64MB容量的DoC中，即可满足应用要求。DoC中的程序可通过网络下载，也可在调试过程中通过调试用的串口编制。 DoC占用系统0CC00:0～0CFFF:F这16K的空间。DoC的译码及控制逻辑由Lattice公司的CPLD产品—iM4A5 192/96中的逻辑实现。该逻辑在Lattice公司的EDA工具—ispDESIGN EXPERT下用Verilog HDL语言编写完成。 (4)操作系统及应用软件 该设备为用户提供的是一个完整的网络终端解决方案。用户可根据需要将一个简化的操作系统和应用程序通过网络下载到DoC上，构成一个完整的网络终端。 (5)特点及应用领域 由于该设备提供的是一个较为通用的硬件平台，故具有相当的灵活性，即只需将应用软件稍加改动或添加少量的设备就可适用于更多的领域。如： ①采用工业级或军用芯片，并对机箱进行加固处理，即可构成适用于工业控制领域的瘦型网络终端或军用领域的单兵作战系统的硬件平台; ②与GPS设备相连接，并加装存放电子地图的大容量USB硬盘，在该设备上运行GIS，即可适用于汽车电脑、船只导航等领域。 这种基于STPC的网络终端设备最大的特点是体积小、结构简单、功能强大、软件适用性强。该设备可作为瘦型网络终端广泛应用于银行、证券等金融机构和公共网络接入的柜台、查询等业务，同时也可作为网络终端节点应用于工业控制领域和军用领域，具有良好的市场前景。 综上所述，SoC是未来IC的发展方向，尤其是x86构架的SoC更是为嵌入式系统的应用开辟了新的天地。它的发展将推动科学研究、科技发展，并且可以给我们带来更多具备多样化功能和多用途的产品。