介绍
为了能使产品及时上市,产品的设计也日渐复杂。为了提高产品的输出音质与数字影像画质,就需要更高的运算效能与更大的输出效能(throughput)。许多消费性电子产品整合了许多的功能,例如将通讯与运算、数字影音、或信息娱乐等结合,这些应用都须搭配弹性化的产品研发流程,并配合核心运算机制(core algorithm)的需求。
为了能使产品及时上市,必须将复杂的设计方案分割,并尽可能重复使用已开发完成的方案。仅管可以重复使用设计方案,复杂的系统整合与验证又成为新的设计挑战,事实上,「单一芯片尺寸满足所有需求」的SoC设计并不存在,即使功能可整合,但系统建置作业却无法整合。市场所真正需要的是满足对规格与效能的需求,而这方面仍需要利用一套专属应用的开发模式。
在设计流程一开始就采用专属应用平台架构,并继续在日后的产品生命周期中进行后续研发,已逐渐成为解决这些问题的理想方案。
重新定义的平台
「平台(platform)」一词已被广泛地用来称呼包括硬件与软件的各种智能财产(IP),用于新设计的基础方案或开发衍生产品,并可重复使用。平台型设计的潜力非常可观,能大幅加速产品上市以及提升产品质量。
我们可以将平台画分成许多阶层 - 从核心处理器、外围组件、客制化IP、操作系统、以及应用程序。平台设计的定义是依组织在SoC价值链中的定位而不同。IP供货商将平台视为处理器、总线、以及外围组件。系统厂商将平台视为上层的组件,其中包括操作系统与应用程序。透过这种模式,平台的定义依组织在价值链(图一)的地位而有不同的区别。如果可以在系统中制定一套新的机制增加一个功能层面,就能使IP供货商、半导体厂商以及OEM厂商间的分工更具效率。
但是许多现有的平台解决方案已经限制了设计团队的能力,使客户无法自行修改产品的功能,而无法突显产品的独特性。此外,只是提供一套IP模块并封装成一套「平台」,并无法真正解决系统整合的各种重要课题(尤其是验证方面)。加入新的IP功能组件对于总线与处理器带宽、实时处理功能、以及系统延迟会产生相当程度的影响。在加入新IP时,系统行为验证作业的管理确实会变得相当复杂费时。显然真正的平台解决方案除了提供IP方案以外还得提供更多附加功能,才能协助设计业者降低产品研发的风险。
《图一 平台分层图》 - BigPic:600x319 |
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ARM的平台策略
ARM的平台策略是肇因于合作伙伴需要低风险、快速的产品上市时程,与突显设计的独特功能。此外,合作伙伴们也需要最高级并预先验证的IP技术,但更须配合成熟的开发技术以及完善的软件支持。技术支持要包括操作系统链接埠,以确保迅速有效地完成系统整合。
透过业界合作成功发展
若供应键中的厂商能合作解决特定的产业难题,即能创造出有利的竞争优势。由于必须耗费可观的成本进行核心的研发与维护,因此仅有少数的公司有能力开发专属的微处理器核心。由于ARM的微处理器具备ARM指令集架构(ISA)的高稳定度,许多实力坚强的第三方都为ARM微处理器提供技术支持,业界也因此大量采用ARM的微处理器核心。
业界大都不希望见到市场上出现众多彼此不兼容的平台,因为这将会造成第三方在支持平台解决方案时遇上困难。操作系统供货商若须为每种新平台推出支持产品,势必花费庞大成本。若市场能整合出标准型的SoC平台,搭配高效能的核心,则许多代工厂商必定愿意采用这种解决方案,除了能获得硅组件选择方案外,亦能透过第三方的支持,规划出明确的产品发展蓝图。
ARM PrimeXsys 平台
ARM已与伙伴合作开发制定出发展一套所需要的组件数量最少的平台,特点有:
● 提供非独特性的功能、预先整合、及预先验证
● 执行操作系统
● 执行应用软件
ARM在过去曾研发出领先市场的创新技术,同时针对单一装置为半导体伙伴预留充裕的技术整合空间。透过PrimeXsys (prime-ex-sis),ARM进一步提供完善的架构,预先整合成熟的IP技术。然而,ARM并非提供一套「开发完成(finished)」的装置,亦不提供应用在特定终端装置的IP。这个部份仍是由ARM半导体伙伴所负责。
单一IP或硅组件厂商已无法为一套复杂的SoC供应所有的IP,甚至连ARM也不提供所有必备的IP核心,以建立一套完整的专属应用平台。OEM厂商所希望开发的装置,必须采用来自众多专业厂商的IP方案。ARM透过伙伴合作模式,与许多专业协力供货商合作,确保PrimeXsys除了融入ARM本身的核心与IP之外,亦能涵盖其它优异的IP。
ARM核心是平台架构效能的基础。在选择核心时,必须考虑目标应用系统的需求,核心的选择亦会影响系统架构。例如,用来建置一套低成本/高效能的装置,透过ARM7TDMI所采用的系统架构,就与采用高阶ARM926EJ-S方案的系统架构有显著的差异。此外,系统架构若搭配未来的ARM V6 ISA核心,可让业者自行调整,以发挥该指令集所提供的新功能优势。
平台开发机制
ARM PrimeXsys 平台是以一系列组件为基础。其中包括SoC (RTL 硬件规格)、总线架构、功率管理策略、设备驱动器、操作系统链接埠、以及应用软件,而其中达到产品差异化的最重要组件就是先进系统模型与证验环境。
整套系统以各种「检视(view)」组件所构成,其中包括RTL系统构造检视、软件研发检视、以及实际硬件研发机板。每套检视组件都能反映相同的系统架构,用来检视的软件亦能应用在任何高阶检视中,故能为定案前的设计提供极高的可信度。ARM已透过PrimeXsys 平台的软件模块提升高阶操作系统的效能,例如像Symbian OS以及各种应用程序。这项设计提供一个宝贵的环境,让业者能检视系统带宽与效能需求。此外,每套仿真检视亦可加以扩充,让用户能修改设计,并在模块中加入自己的IP。
系统验证作业可采用各种可延伸的测试系统:
● AMBA Compliance Testbench: 验证单独的RTL组件与AMBA规格兼容
● Integration Validation Testbench :检验系统是否正确 「布线(wired-up)」
● Subsystem Validation Testbench:检验系统的功能是否符合预期
● Software Development Model :整合各种设备驱动器、操作系统链接埠、以及支持不同硬件的应用程序
● IP Development Board :测试实际的硅组件
PrimeXsys 无线平台
ARM PrimeXsys 无线平台(PrimeXsys Wireless Platform,PWP)针对2.5/3G行动应用系统进行研发。其中包括各种支持电子邮件、行动网络、行动商务、以及定位服务等特殊功能的无线网络装置。这类应用系统内建消费性OS功能的PDA,搭配如随身听、影像电话、以及行动游戏等应用功能。此外,PWP支持其它包括Java、第三方与用户自行撰写等各种应用软件。
支持PWP 的SoC 采用ARM926EJ-S核心与一系列专属的外围组件,透过AMBA 多层式先进高效能总线(Advanced High-Performance Bus)系统接口进行整合,提供充裕的扩充空间。
ARM926EJ-S 核心结合领先业界的效能与低耗能的ARM Jazelle Java加速科技,支持虚拟内存寻址机制,配合许多主要操作系统的需求。此外,ARM926EJ-S是一套可合成的核心,可移植至任何硅组件制程并配合相关的细胞函式库,确保与各种硅晶制程兼容。这套核心亦结合可独立设定的指令、数据快取、指令与数据紧密耦合内存(TCM),让业者不须变更CPU核心,即可自行调整快取与TCM内存的容量,以配合特定应用系统的需求。
PWP 平台包含MOVE协同处理器,影片编码器可采用MOVE协同处理器执行MPEG-4、WMV、以及其它编码演算。它能在单一运算周期内完成多组绝对差值总和运算。这项函式在影片编码时应用相当频繁,并可省下超过50%的运算程序。
配合多层AHB骨干环境进行系统设计,可提供充裕的传输带宽,避免总线成为通讯瓶颈。这亦代表其它主系统能运用SDRAM的传输带宽,同一时间内,核心亦能存取外围组件或静态内存中的数据。每组内部总线皆透过平台中的外围组件进行存取,让其它总线主控端或高带宽外围组件能直接与装置相互串连。透过这种模式,PWP总线架构的设计即可针对SoC进行扩充,客户并可自行调整。
(表一)中显示PWP的组成与网关数量。若假设在标准型0.18μm制程下,60k 的网关等于1mm2的组件面积,则523k网关约占有8.7 mm2的硅面积。
PWP拥有各种操作系统的支持(Linux、Microsoft 、Symbian),其中包括设备驱动器、核心软件、以及各种搭配操作系统厂商OS链接环境的工具。
第一版的PWP 内含PrimeCell 外围组件IP方案,支持操作系统的各项基本功能。随着2.5/3G设计日趋成熟、PDA产品逐渐多元化,市场上有愈来愈多的IP朝向标准化的趋势,并将整合至未来推出的PWP版本。不论是由ARM的 PrimeCell外围组件,或是透过ARM第三方伙伴计划所推出的标准型IP,都将涵盖如数字影片、3D绘图加速、USB、以及Bluetooth等功能,并将支持各种新型操作系统。
表一 PrimeXsys SoC 平台重要组件
组件 |
Kgates |
---|
ARM926EJ-S * |
230K |
MOVE ** |
13K |
Medium ETM |
37K |
SDRAM 控制器 |
55K |
静态内存接口 |
13K |
多层式AHB |
8K |
CLCD *** |
24K |
DMA 控制器 |
82K |
VIC |
13K |
GPIO (1.6k x 4) |
6K |
SIM Card |
12K |
其它外围组件 |
30K |
总计 |
523K |
* 排除快取与TCM
** 内含64字节的工作RAM(作为缓存器)
*** 排除平面型RAM与D-types的FIFO组件
结论
SoC 产业正面临全新的挑战,尤其是在2.5/3G无线通信市场。若要克服这些挑战,业界将必须共同建立各种新标准,让操作系统厂商与应用程序开发业者能提供真正具有附加值价的软件与服务,以扩展市场规模。在研发过程中采用一定等级的标准化技术 - 研发业界就能轻易地达到分工化的目标。
ARM 目前正与许多不同应用领域的伙伴进行合作。ARM的平台开发模式能支持硅组件伙伴与代工厂商顾客,并提供新型PrimeXsys平台解决方案,透过标准化的技术让产品能迅速问市。常见的应用领域包括汽车、网络、以及消费性家电等。这些核心的平台应用种类将视产品的需求而定。
PrimeXsys提供更快的设计流程且同时兼顾系统质量,使设计团队运用本身的IP建置出精密的SoC,并突显产品的独特功能。PrimeXsys也提供关键的硬件与软件IP组件,内含操作系统与应用软件支持能力,可协助开发复杂的特殊应用SoC,并支持各种成熟的开发机制,确保成功的系统整合。