“中科soc”总线架构及其芯片设计与实现

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1、“中科SoC”总线架构及其芯片设计与实现张志敏摘要本文分析了CoreConnect、AMBA、WisheboneSoC等三大著名SoC总线架构的特点，并提出了一种全新的适合中高档SoC发展的L*BUS总线架构，阐述了L*BUS总线的协议特点和总体架构，细述了基于L*BUS的中科SoC芯片实现特点，并指出其设计平台和芯片系列化的发展方向。关键词SoC，总线架构，开发平台，芯片设计1前言[1]SoC（SystemonaChip）自20世纪90年代后期出现以来，受到了学术界和工业界的极大关注，SoC通常将微处理器、模拟IP

2、（IntelligenceProperty）核、数字IP核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单[2]一芯片上，具有小型、轻量、低功耗、多功能、高可靠和低成本化等特征，在计算机、通信、消费类电子、工控、交通运输等领域应用十分广泛。从技术发展角度，SoC可分为三类：一类是CSoC(ConfigurableSoC)，以学术研究机构为主导，注重体系结构探索性工作；另一类是SoPC(System-on-a-Progrmmable-Chip)，以FPGA厂商和科研机构为主导，适合多品种少批量产品开发；第三类是ASICSoC，以

3、微处理器（跨国巨头）和芯片设计公司为主导，追求良好[3]的性价比，适合大批量规模生产。“中科SoC”以市场需求为导向，追求性价比（包括功耗），在“十五”863项目“高速32位嵌入式CPU开发”的研究成果基础上，以特种用途、数控、视频播放、瘦客户机终端等为需求牵引，基于龙芯CPU核改造，提出高性能、高可靠、强实时、低功耗、可兼容、易扩展的L*BUS总线架构，形成一个基于龙芯CPU核的SoC设计开发架构，不断研制开发核心IP，面向设计公司提供SoC架构与验证方法，提高仿真与验证效率，利于集成第三方IP核，便于系列化，可加

4、快SoC芯片开发进程，为我国高端集成电路技术发展做出贡献。2SoC总线架构特点分析众所周知，总线架构是系统的骨架，对系统性能发挥起很大制约作用。计算机板卡总线架构通常由处理器总线（X86接口、SysAD等）、扩展总线（VME，MultiBusI/II，PCI），甚至可能还有三级总线（ISA，USB，I2C等）等组成。SoC的发展源于计算机技术与应用。在计算机领域，不同的解决方案，有不同的总线架构，SoC的发展沿袭了这一格局。目前市场上的总线有几百种，如AMBA、CoreConnect、CoreFrame、PI－BUS

5、、SOC-IT、WISHBONE、ZBus等，但各种总线架构可归结为以下三类：1.高速总线（如AHB，PLB等）；2.外设总线（如APB，OPB等）；3.必要时还有扩展总线（如SDRAM，PCI，PCMCIA等）当前，SoC品种十分繁多，总线架构也五花八门，在业界比较热门的是AMBA、CoreConnect、WISHBONE这三种总线，本文作重点分析。2.1CoreConnect总线架构[4]CoreConnect是IBM公司研究开发的，适合高端SoC的系统发展。总线架构如图1所示，其特点：1.PLB总线可挂接多主从

6、设备，地址流水，读写并发，可支持低延迟、灵活性好的高带宽数据通道；2.OPB总线主要连接外围低速设备，与PLB总线隔离，降低外围设备对系统性能的影响，支持突发（Burst）操作。但CoreConnect有不少不足之处，如总线操作协议繁琐、时序过于严格（7个相位）、桥接器转换复杂（Burst-Burst）和IP核可重用性差等，不利于基于IP核或平台的SoC发展，因而对业界影响力不够大。图1CoreConnect总线架构2.2AMBA总线架构[5]AMBA总线架构是由ARM公司开发的，应用比较广泛，IP核比较丰富，适合中

7、低档SoC的系统发展，特别是低功耗需求强烈的领域，总线架构如图2所示，其特点有：1.AHB总线可挂接多个功能模块（主/从），并为它们提供高带宽、低延迟的总线连接；2.APB总线一般挂接低速外围设备，桥接器集中控制，利于接口设备简化设计和低功耗化处理。但其不足的地方也明显，如不支持并发操作、总线效率不高（不支持突发Burst）、和APB总线不支持主动操作等，限制多主设备性能发挥。目前的手持设备大都采用AMBA总线架构，但高性能嵌入式控制领域很少用。图2AMBA总线架构2.3Wishbone总线架构[6]Wishbone

8、总线由OpenCore组织维护，开放性很好，也十分灵活，如图3所示。WISHBONE总线规范允许组建两级总线，一条可以用于高性能IP核互联，另一条用于低速IP核互联，只不过需要一个简单的缓冲接口，可以有多种互联方式，如点对点、点对多、共享总线、交叉互联等方式，但其也有局限性，如不利于低功耗设计，不利于总线带宽的提高等。目前Wishbone总线实