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元件最少的PrimeXsys平台
 

【作者: 翟少銘】   2001年12月05日 星期三

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介紹

為了能使產品及時上市,產品的設計也日漸複雜。為了提高產品的輸出音質與數位影像畫質,就需要更高的運算效能與更大的輸出效能(throughput)。許多消費性電子產品整合了許多的功能,例如將通訊與運算、數位影音、或資訊娛樂等結合,這些應用都須搭配彈性化的產品研發流程,並配合核心運算機制(core algorithm)的需求。


為了能使產品及時上市,必須將複雜的設計方案分割,並盡可能重複使用已開發完成的方案。僅管可以重複使用設計方案,複雜的系統整合與驗證又成為新的設計挑戰,事實上,「單一晶片尺寸滿足所有需求」的SoC設計並不存在,即使功能可整合,但系統建置作業卻無法整合。市場所真正需要的是滿足對規格與效能的需求,而這方面仍需要利用一套專屬應用的開發模式。


在設計流程一開始就採用專屬應用平台架構,並繼續在日後的產品生命週期中進行後續研發,已逐漸成為解決這些問題的理想方案。


重新定義的平台

「平台(platform)」一詞已被廣泛地用來稱呼包括硬體與軟體的各種智慧財產(IP),用於新設計的基礎方案或開發衍生產品,並可重複使用。平台型設計的潛力非常可觀,能大幅加速產品上市以及提升產品品質。


我們可以將平台畫分成許多階層 - 從核心處理器、週邊元件、客制化IP、作業系統、以及應用程式。平台設計的定義是依組織在SoC價值鏈中的定位而不同。IP供應商將平台視為處理器、匯流排、以及週邊元件。系統廠商將平台視為上層的元件,其中包括作業系統與應用程式。透過這種模式,平台的定義依組織在價值鏈(圖一)的地位而有不同的區別。如果可以在系統中制定一套新的機制增加一個功能層面,就能使IP供應商、半導體廠商以及OEM廠商間的分工更具效率。


但是許多現有的平台解決方案已經限制了設計團隊的能力,使客戶無法自行修改產品的功能,而無法突顯產品的獨特性。此外,只是提供一套IP模組並封裝成一套「平台」,並無法真正解決系統整合的各種重要課題(尤其是驗證方面)。加入新的IP功能元件對於匯流排與處理器頻寬、即時處理功能、以及系統延遲會產生相當程度的影響。在加入新IP時,系統行為驗證作業的管理確實會變得相當複雜費時。顯然真正的平台解決方案除了提供IP方案以外還得提供更多附加功能,才能協助設計業者降低產品研發的風險。


《圖一 平台分層圖》 - BigPic:600x319
《圖一 平台分層圖》 - BigPic:600x319

ARM的平台策略

ARM的平台策略是肇因於合作夥伴需要低風險、快速的產品上市時程,與突顯設計的獨特功能。此外,合作夥伴們也需要最高級並預先驗證的IP技術,但更須配合成熟的開發技術以及完善的軟體支援。技術支援要包括作業系統連結埠,以確保迅速有效地完成系統整合。


透過業界合作成功發展

若供應鍵中的廠商能合作解決特定的產業難題,即能創造出有利的競爭優勢。由於必須耗費可觀的成本進行核心的研發與維護,因此僅有少數的公司有能力開發專屬的微處理器核心。由於ARM的微處理器具備ARM指令集架構(ISA)的高穩定度,許多實力堅強的協力廠商都為ARM微處理器提供技術支援,業界也因此大量採用ARM的微處理器核心。


業界大都不希望見到市場上出現眾多彼此不相容的平台,因為這將會造成協力廠商在支援平台解決方案時遇上困難。作業系統供應商若須為每種新平台推出支援產品,勢必花費龐大成本。若市場能整合出標準型的SoC平台,搭配高效能的核心,則許多代工廠商必定願意採用這種解決方案,除了能獲得矽元件選擇方案外,亦能透過協力廠商的支援,規劃出明確的產品發展藍圖。


ARM PrimeXsys 平台

ARM已與夥伴合作開發制定出發展一套所需要的元件數量最少的平台,特點有:


● 提供非獨特性的功能、預先整合、及預先驗證


● 執行作業系統


● 執行應用軟體


ARM在過去曾研發出領先市場的創新技術,同時針對單一裝置為半導體夥伴預留充裕的技術整合空間。透過PrimeXsys (prime-ex-sis),ARM進一步提供完善的架構,預先整合成熟的IP技術。然而,ARM並非提供一套「開發完成(finished)」的裝置,亦不提供應用在特定終端裝置的IP。這個部份仍是由ARM半導體夥伴所負責。


單一IP或矽元件廠商已無法為一套複雜的SoC供應所有的IP,甚至連ARM也不提供所有必備的IP核心,以建立一套完整的專屬應用平台。OEM廠商所希望開發的裝置,必須採用來自眾多專業廠商的IP方案。ARM透過夥伴合作模式,與許多專業協力供應商合作,確保PrimeXsys除了融入ARM本身的核心與IP之外,亦能涵蓋其它優異的IP。


ARM核心是平台架構效能的基礎。在選擇核心時,必須考量目標應用系統的需求,核心的選擇亦會影響系統架構。例如,用來建置一套低成本/高效能的裝置,透過ARM7TDMI所採用的系統架構,就與採用高階ARM926EJ-S方案的系統架構有顯著的差異。此外,系統架構若搭配未來的ARM V6 ISA核心,可讓業者自行調整,以發揮該指令集所提供的新功能優勢。


平台開發機制

ARM PrimeXsys 平台是以一系列元件為基礎。其中包括SoC (RTL 硬體規格)、匯流排架構、功率管理策略、裝置驅動程式、作業系統連結埠、以及應用軟體,而其中達到產品差異化的最重要元件就是先進系統模型與證驗環境。


整套系統以各種「檢視(view)」元件所構成,其中包括RTL系統構造檢視、軟體研發檢視、以及實際硬體研發機板。每套檢視元件都能反映相同的系統架構,用來檢視的軟體亦能應用在任何高階檢視中,故能為定案前的設計提供極高的可信度。ARM已透過PrimeXsys 平台的軟體模組提升高階作業系統的效能,例如像Symbian OS以及各種應用程式。這項設計提供一個寶貴的環境,讓業者能檢視系統頻寬與效能需求。此外,每套模擬檢視亦可加以擴充,讓使用者能修改設計,並在模組中加入自己的IP。


系統驗證作業可採用各種可延伸的測試系統:


● AMBA Compliance Testbench: 驗證單獨的RTL元件與AMBA規格相容


● Integration Validation Testbench :檢驗系統是否正確 「佈線(wired-up)」


● Subsystem Validation Testbench:檢驗系統的功能是否符合預期


● Software Development Model :整合各種裝置驅動程式、作業系統連結埠、以及支援不同硬體的應用程式


● IP Development Board :測試實際的矽元件


PrimeXsys 無線平台

ARM PrimeXsys 無線平台(PrimeXsys Wireless Platform,PWP)針對2.5/3G行動應用系統進行研發。其中包括各種支援電子郵件、行動網路、行動商務、以及定位服務等特殊功能的無線網路裝置。這類應用系統內建消費性OS功能的PDA,搭配如隨身聽、影像電話、以及行動遊戲等應用功能。此外,PWP支援其它包括Java、協力廠商與使用者自行撰寫等各種應用軟體。


支援PWP 的SoC 採用ARM926EJ-S核心與一系列專屬的週邊元件,透過AMBA 多層式先進高效能匯流排(Advanced High-Performance Bus)系統介面進行整合,提供充裕的擴充空間。


《圖二 ARM PrimeXsys 無線平台》
《圖二 ARM PrimeXsys 無線平台》

ARM926EJ-S 核心結合領先業界的效能與低耗能的ARM Jazelle Java加速科技,支援虛擬記憶體定址機制,配合許多主要作業系統的需求。此外,ARM926EJ-S是一套可合成的核心,可移植至任何矽元件製程並配合相關的細胞函式庫,確保與各種矽晶製程相容。這套核心亦結合可獨立設定的指令、資料快取、指令與資料緊密耦合記憶體(TCM),讓業者不須變更CPU核心,即可自行調整快取與TCM記憶體的容量,以配合特定應用系統的需求。


PWP 平台包含MOVE協同處理器,影片編碼器可採用MOVE協同處理器執行MPEG-4、WMV、以及其它編碼演算。它能在單一運算週期內完成多組絕對差值總和運算。這項函式在影片編碼時應用相當頻繁,並可省下超過50%的運算程序。


配合多層AHB骨幹環境進行系統設計,可提供充裕的傳輸頻寬,避免匯流排成為通訊瓶頸。這亦代表其它主系統能運用SDRAM的傳輸頻寬,同一時間內,核心亦能存取週邊元件或靜態記憶體中的資料。每組內部匯流排皆透過平台中的週邊元件進行存取,讓其它匯流排主控端或高頻寬週邊元件能直接與裝置相互串連。透過這種模式,PWP匯流排架構的設計即可針對SoC進行擴充,客戶並可自行調整。


(表一)中顯示PWP的組成與閘道數量。若假設在標準型0.18μm製程下,60k 的閘道等於1mm2的元件面積,則523k閘道約佔有8.7 mm2的矽面積。


PWP擁有各種作業系統的支援(Linux、Microsoft 、Symbian),其中包括裝置驅動程式、核心軟體、以及各種搭配作業系統廠商OS連結環境的工具。


第一版的PWP 內含PrimeCell 週邊元件IP方案,支援作業系統的各項基本功能。隨著2.5/3G設計日趨成熟、PDA產品逐漸多元化,市場上有愈來愈多的IP朝向標準化的趨勢,並將整合至未來推出的PWP版本。不論是由ARM的 PrimeCell週邊元件,或是透過ARM協力廠商夥伴計畫所推出的標準型IP,都將涵蓋如數位影片、3D繪圖加速、USB、以及Bluetooth等功能,並將支援各種新型作業系統。


表一 PrimeXsys SoC 平台重要元件



























































元件 Kgates
ARM926EJ-S * 230K
MOVE ** 13K
Medium ETM 37K
SDRAM 控制器 55K
靜態記憶體介面 13K
多層式AHB 8K
CLCD *** 24K
DMA 控制器 82K
VIC 13K
GPIO (1.6k x 4) 6K
SIM Card 12K
其它週邊元件 30K
總計 523K



* 排除快取與TCM


** 內含64位元組的工作RAM(作為暫存器)


*** 排除平面型RAM與D-types的FIFO元件


結論

SoC 產業正面臨全新的挑戰,尤其是在2.5/3G無線通訊市場。若要克服這些挑戰,業界將必須共同建立各種新標準,讓作業系統廠商與應用程式開發業者能提供真正具有附加值價的軟體與服務,以擴展市場規模。在研發過程中採用一定等級的標準化技術 - 研發業界就能輕易地達到分工化的目標。


ARM 目前正與許多不同應用領域的夥伴進行合作。ARM的平台開發模式能支援矽元件夥伴與代工廠商顧客,並提供新型PrimeXsys平台解決方案,透過標準化的技術讓產品能迅速問市。常見的應用領域包括汽車、網路、以及消費性家電等。這些核心的平台應用種類將視產品的需求而定。


PrimeXsys提供更快的設計流程且同時兼顧系統品質,使設計團隊運用本身的IP建置出精密的SoC,並突顯產品的獨特功能。PrimeXsys也提供關鍵的硬體與軟體IP元件,內含作業系統與應用軟體支援能力,可協助開發複雜的特殊應用SoC,並支援各種成熟的開發機制,確保成功的系統整合。


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