(轉貼) 淺談嵌入式系統 (IC Design) (SOC)

轉貼自Roger的研究生日誌 之 淺談嵌入式系統(SOC)

嵌入式系統(SOC)算是近幾年來相當熱門的話題，許多人也紛紛朝這方向研究及分析，不過也有大多數的人不得其門而入，在此小弟簡單的介紹一下。

要使用SOC之前，我們必須先考量一個問題，我們所建立的SOC功能為何，目的為何，如果說只是單純建立幾個基本正反器，或者是幾個簡單的邏輯閘組成的電路，小弟是認為這用硬體描述語言就可以解決，甚至於買塊麵包板跟IC回來插一插就搞定了，若說用到SOC 有點殺雞焉用牛刀之感，所以確定自己的需求是相當重要之事。

廢話不多說 我們趕快進入SOC的話題吧。

SOC 顧名思義就是System on Chip，至於要在一顆chip上建立一個system而言，並不是可以用簡單的HDL就能處理的，我們先思考幾個問題。

既然是system 那麼是怎樣的system?什麼樣的物件(或硬體)算得上on chip?在system部分分成兩部分一個是硬體、一個是軟體，在硬體的部份 包含在SOC裡面有許多部份。

我們以Altera NIOS II的架構來說(如下圖)



在框框裡面的即為一嵌入式系統，裡頭包含了CPU, Bus, On-Chip Memory 等等，這些全是硬體的部份，也就是說要建立一個SOC的最基礎，就是要從這裡開始。

我們可以這樣想，在框框外是實體的硬體，也就是真正看得見的chip或硬體(如LED, LCD等等)，而要讓它們動作,得靠我們所設計的controller或driver，而這方面的設計,可依我們的需求會有所不同，這也是NIOS II最大的特點。

另外我們再來看另一個架構--ARM


這是一個很典型的ARM系統，我相信應該有人發現了幾個問題，首先是系統問題, 似乎ARM的系統遠比NIOS II複雜，且架構也比NIOS II大，感覺ARM的功能性比NIOS II強大，那麼兩者的差別到底在哪裡?

這個問題的解答正是各家SOC不同的地方，撇開CPU的架構而言,另一個差別就在於BUS，NIOS II的BUS名為Avalon Bus，ARM的為AMBA Bus，而ARM的AMBA又分為兩個:AHB和APB。

從上圖中我們可以發現，AHB主要是掌管記憶體部分，APB是掌管硬體周邊，在兩個BUS的雙重使用下,可更容易降低CPU的負擔，感覺上在這方面似乎NIOS II的BUS遜色不少，但各位也別忘了,NIOS II的優點在於硬體是客製化的(Custom)，也就是說,NIOS II也可以實現雙BUS架構，因此只要是在FPGA內的LE夠的話，想要擴充不是問題。

那麼ARM是否就沒有缺點了呢?這個答案是否定的,ARM的缺點就在於硬體的彈性，在NIOS II裡,我們可以依據自己的需求而增加所要的硬體，而在ARM的話,硬體的設計是包好的，也就是說,BUS分成兩條就是兩條，而我們也不能將APB所連接的元件連到AHB上面，所以在限制上，ARM的硬體彈性比NIOS II低。

先前說過,SOC分成兩大部分:硬體和軟體，剛剛已經稍微介紹了兩個平台的硬體，接著我們從軟體的角度來分析。

首先在NIOS II上面,當硬體架設好後，就是要將軟體運行在所設計的硬體上，在NIOS II裡所採用的是MicroC/OS-II，而ARM上面的OS則可支援很多，例如uCLINUX, WINCE, VxWork等等，這並不是說NIOS II就不支援，只是在porting上比較複雜。

另外一提, 在NIOS II上的OS是要自己規劃的，也就是說我們引進了OS的基本函式庫後，在什麼時間該執行哪個TASK是自行設定，這個設定跟一開始在硬體時的設定有關，所以在使用OS上就顯得麻煩了一點，相對於uCLINUX,就有點像是一般安裝LINUX，只要針對自己的硬體,給定相對應的參數即可。

有了OS,再來談Application Software，在ARM上面開發軟體確實比NIOS II方便，它就像是一台小型的PC,而我們只需要在PC上安裝開發軟體即可，但在NIOS II上,光是要做一個軟體介面就不是十分容易，因此在軟體部分, ARM略勝NIOS II一籌。

說到這裡,相信各位應該對SOC有了基本的認識，其實SOC的平台很多,在此雖然只舉出兩個例子供大家比較，而我們可以在此給兩者做個結論，若各位的設計是比較偏向硬體,可選擇NIOS II，若是偏向軟體,ARM是比較方便，我想這也是為何業界偏好使用ARM來開發商品而不用NIOS II，不過,誰好誰壞,還是看需求為主，這是沒有絕對的。

但請記得,SOC的主體架構是相同的，差別只在於CPU與BUS的架構，這才是SOC的靈魂,也是主宰SOC效能的最大主因。

參考文件:
Nios II Processor Reference Handbook
基於ARM的SOC設計入門