SISTEMY_NA_KRISTALLE

20 Февраль 2014 →

СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ : ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

В своем непрерывном развитии рынок микроэлектроники постоянно выдвигает все новые и более жесткие требования к появляющимся изделиям. Потребитель хочет получать быстродействующую, надежную и в то же время малогабаритную и малопотребляющую продукцию. Два этих противоречивых требования усугубляются тем, что микроэлектронные поколения очень быстро стареют, время морального износа исчисляется иногда месяцами. Поэтому особое внимание уделяется постоянному сокращению времени выхода на рынок новых изделий. Сроки, отводимые на разработку, проектирование, верификацию и выпуск в серию новых интегральных схем (ИС), стремятся сокращать всеми силами, не забывая при этом предъявлять повышенные требования к качеству самих ИС и их надежности.

Одним из способов разрешения данного противоречия стало создание заказных ИС с большим числом элементов и со сложной внутренней структурой, от которых требовались возможность гибкой специализации "под задачу" и кратчайшее время выхода на рынок. Такие заказные микросхемы класса ASIC (Application Specific Integrated Circuits) получили широкое распространение во всем мире, поскольку это было единственным приемлемым решением при реализации сложных изделий микроэлектроники для портативной и носимой аппаратуры. Основным преимуществом заказных ИС является низкая стоимость конечного массового продукта. Поэтому с постоянным совершенствованием технологического цикла производства микросхем снижаются и требования к минимальным заказам ASIC [5]. Становится выгодно заказывать "свои" микросхемы даже для средних объемов производства, получая основную прибыль после реализации конечной продукции. При этом заказчик является владельцем как конечного продукта, так и заложенной в него идеи, и, следовательно, несет на себе всю тяжесть и ответственность принятия решения. К сожалению, проекты на ASIC имеют свои недостатки : высокий уровень начальных невозвращаемых затрат (NRE), длительное время разработки и верификации а также значительные количества для минимального заказа партии готовых микросхем. Как результат, заказные ИС доступны только для конечных изделий при условии их большого тиража и длительного срока их активного использования. Требования к минимальному объему заказа микросхем ASIC зачастую превышают $500 тыс. в расчете на проект и на год. Проекты же с коротким временем их "жизни" (до морального старения), малых или средних объемов тиражности, требующих скорейшего выхода на рынок или частого обновления реализуемых стандартов или алгоритмов скорее всего не могут себе позволить быть реализованными в виде ASIC. Причем даже в случае, когда критерий "объем/цена" является для данной разработки приемлемым, любое изменение для исправления допущенной ошибки или для ее совершенствования оставит заказчика с большими складскими запасами, возможно, никому не нужных микросхем и запустит заново весь длительный цикл (не менее 4-6 месяцев) создания новой версии ASIC. Эта проблема особенно актуальна для быстро эволюционирующих сегментов рынка - телекоммуникаций, сетевых и мультимедийных приложений и т.п. Очевидно, что здесь более предпочтительны программируемые, конфигурируемые решения, которые могут быть изменены как на стадии разработки, так и в полевых условиях.

В настоящее время значительная часть подобных конфигурируемых проектов разрабатывается в виде печатной платы как комбинация микросхем программируемой и жесткой логики, аналоговых блоков, микроконтроллеров, массивов памяти и фиксированных периферийных узлов (интерфейс Т1, АТМ, 10/100 PHY, видео/аудио кодеки и т.п.). Несмотря на то, что такие комбинированные решения позволяют достаточно быстро создавать разнообразные, быстро меняющиеся проекты, они не могут реально конкурировать с точки зрения производительности, энергопотребления, надежности и массогабаритных характеристик с монолитным решением - интегральной микросхемой системного уровня интеграции. Таким образом, появились все предпосылки к реальному созданию коммерческих версий ИС нового поколения, сочетающих в себе преимущества традиционных заказных изделий класса ASIC, микросхем программируемой логики и интегрирующих широкий диапазон системных ресурсов для большей функциональности. Новые микросхемы был отнесены к группе изделий системного уровня интеграции SLI (System Level Integration), и до настоящего времени уровень SLI был реализован лишь в заказных микросхемах с фиксированной архитектурой, потому что это было единственным приемлемым технологическим решением.

Сразу договоримся о терминологии. Под интеграцией различных системных ресурсов здесь не следует понимать механистическое объединение отдельных систем, которыми могут быть (пусть и сколь угодно сложные, но в то же время типовые, стандартные) микропроцессоры, блоки памяти и периферийные узлы. Возможность сочетания различных типов электронных ячеек на площади одного кремниевого кристалла высвобождает новые потребительские качества выпускаемых микросхем, позволяет целенаправленно ориентировать новую продукцию на требуемые сегменты рынка, обеспечивая производителям современной электронной аппаратуры техническую и экономическую выгоду.

Реализованная на практике идея SLI оказалась настолько богатой, что сразу же нашла широкий отклик у многих мировых лидеров в производстве микроэлектронных изделий. Интеграция всех основных системных узлов на одной системно-ориентированной микросхеме обеспечивает повышение производительности, снижение энергопотребления, уменьшение цены конечного изделия в целом и позволяет выпускать малогабаритную продукцию. Все эти преимущества особенно важны в области телекоммуникаций, мультимедийных приложениях, носимой и портативной аппаратуре а также в сетевых приложениях. Изделия нового поколения, выполняемые по идеологии SLI, стали называть "система на кристалле" - System on a Chip или SoC. И основным препятствием на пути активного внедрения микросхем SoC в массовое производство вплоть до конца 1990-х были лишь технологические ограничения полупроводниковой промышленности.

Революционные изменения в технологии производства микроэлектронных изделий дали возможность комбинировать на одном кремниевом кристалле несколько разнородных типов электронных ячеек (CMOS+Flash, CMOS+EEPROM, SiGe/BiCMOS). Были выпущены первые интегральные заказные микросхемы ASIC, реализующие как цифровую, так и аналоговую обработку данных, в том числе и для радиочастотного диапазона (см., например, [2] - [4]). Совершенствование технологического процесса позволило постоянно увеличивать количество интегрированных транзисторов в пределах одной и той же площади кремниевого кристалла. Тем не менее, оказалось невозможным полноценно использовать все преимущества этого увеличения без значительного удлинения временного цикла разработки проектов, особенно в связи с постоянно увеличивающейся сложностью последних. Здесь же впервые встала и проблема дефицита высококвалифицированного инженерного труда, так как разработать современное заказное изделие микроэлектроники в кратчайшие сроки очень непросто. Существенно обострилось и ранее дремавшее противоречие: с одной стороны, цены на конечные изделия должны быть как можно меньше; с другой - сложность микросхем должна быть как можно выше, а количество одновременно выполняемых ими функций - как можно больше. В значительной степени этому способствовало смещение рынка потребления в сторону сложной продукции массового спроса - Application Specific Standard Products (ASSP), а также активное влияние рынка телекоммуникаций, который развивается чрезвычайно быстро и требует реализации все более сложных и изощренных механизмов кодирования, передачи и обработки разнородных данных. Таким образом, к концу 1990-х сформировались все предпосылки к реальному созданию коммерческих, доступных версий микросхем SoC.

Многие фирмы-производители проводят в настоящее время активные исследования перспективности создания микросхем класса SoC различных архитектур. Несколько компаний уже реализовало свои идеи в конкретные семейства серийно выпускаемых ИС и продолжают работу в этом направлении. В результате можно сказать, что на рынок микроэлектроники действительно вышло новое поколение микросхем с возможно большим и перспективным будущим. Говорится об этом поколении уже много и всеми по-разному. При этом, к сожалению, нечетко поставлены акценты в терминологии, по-разному воспринимается сама концепция системы на кристалле, различаются подходы как к проектированию и производству самих ИС, так и к построению конечных проектов на этой новой элементной базе.

Основная цель настоящей статьи заключалась в том, чтобы сделать попытку поверхностного обзора этой проблемы, кратко обрисовать понимание ее видения как разработчиками, так и фирмами-производителями по состоянию дел на 1-ю половину 2001 года. Через несколько лет естественный путь развития сам покажет, получат ли признание микросхемы класса "система на кристалле", какие разрабатываемые архитектурные и идеологические решения "выживут" и в какую сторону пойдет развитие рынка ИС.

Одной из важных и первостепенных задач микроэлектроники в настоящее время является создание универсальных микропроцессорных систем на кристалле. Такие сложные ИС класса SoC обычно состоят из трех основных цифровых системных блоков: процессор, память и логика. Процессорное ядро реализует поток управления, когда каждой управляющей программой однозначно устанавливаются последовательности выполнения операций обработки данных, что позволяет задавать один из возможных алгоритмов работы всей ИС. Память используется по ее прямому назначению - хранение кода программы процессорного ядра и данных. И, наконец, логика используется для реализации специализированных аппаратных устройств обработки и прохождения данных, состав и назначение которых определяются конечным приложением - потока данных.

Реальная система на кристалле содержит как минимум все три перечисленных блока, что исключает применение многочисленных отдельных ИС и реализацию интерфейсов связи между ними. Причем однокристальное конфигурируемое или программируемое решение, очевидно, является здесь более предпочтительной альтернативой, так как допускает оперативное изменение своей внутренней аппаратной структуры и конечного предназначения как на этапе производства, так и в полевых условиях, непосредственно в проекте. Такие ИС были отнесены к группе изделий системного уровня интеграции, но получили другое название - Configurable System on a Chip или CSoC. Поскольку термин CSoC не стандартизован, то существуют и другие названия изделий этого класса - System on Programmable Chip (SoPC), Programmable System on a Chip (PSoC) или просто SoC, что определяется вкусом и желаниями конкретного производителя микросхем. В данной статье мы будем придерживаться термина CSoC.

Что же следует понимать под конфигурируемыми процессорами и под конфигурируемыми системами на кристалле? Хотя термины звучат очень похоже, изделия, которые они обозначают, различны.

Конфигурируемый процессор реализует изделие, которое может быть "подстроено" для конкретного использования в потоке управления. Например, изменяемый набор инструкций процессорного ядра, добавление/исключение аппаратного умножения, программируемое количество состояний внутреннего конвейера и т.д. - все это может быть оптимизировано для каждого конечного приложения. Конфигурируемые процессоры предоставляют пользователям необходимые черты и особенности без дополнительных капиталовложений. Результатом является оптимизированное, высокопроизводительное и дешевое решение для конкретной задачи. Но для того, чтобы достичь приемлемого значения величины "цена/кристалл", конфигурируемый процессор должен быть реализован как ASIC. Поэтому конечный продукт заведомо предполагает большие объемы производства для компенсации NRE и инженерного труда. Собственно, все современные микропроцессоры и микроконтроллеры, выпускаемые как стандартные изделия в массовых объемах, могут быть как минимум отнесены к группе процессоров с частично конфигурируемой периферией. Компромисс является в этом случае приемлемым : максимальная производительность и минимальная стоимость микросхемы для специфического конечного приложения при значительных начальных финансовых и инженерных инвестициях.

Конфигурируемые процессоры также требуют специализированного набора средств поддержки разработок для создания программного кода проекта. Под специализацией здесь понимается определенный уровень детализации и ориентации под уникальные особенности конечного приложения. При этом популярные средства поддержки, как правило, уже отобраны разработчиками и являются как бы "рафинированным" набором того, что стоит использовать.

Конфигурируемые системы на кристалле реализуют интегральные устройства, объединяющие встроенный процессор, программируемую логику, память и прочие вспомогательные ресурсы и блоки на одном-единственном кристалле. При этом все эти блоки соединяются между собой внутри кристалла с помощью оптимизированного интерфейса. Ключевой особенностью CSoC является то, что процессор выполнен в виде отдельного технологически реализованного аппаратного узла и не размещается в массиве программируемой логики. Это позволяет получить производительность, сравнимую с ASIC, и избежать при этом дополнительных вопросов, например, насколько удачно размещен процессор, насколько эффективно он работает и т.п. Кроме того, такой аппаратно реализованный процессор обычно является выверенным, популярным ядром индустриального стандарта с большим количеством доступных средств поддержки разработок.

Какие же решения CSoC реально существуют в настоящее время? Внутри категории CSoC как минимум две реализации уже появились: ASIC-базовые и стандартные.

Производители ASIC - LSI Logic и Lucent Microelectronics - объявили о намерениях активно заниматься проблемами интеграции программируемой логики и изделий ASIC. Такие микросхемы CSoC имеют наивысшую степень системного использования кристалла, допускают изменения в структуре микросхемы как на этапе проектирования, так и в полевых условиях. Дополнительным преимуществом здесь является богатая IP-библиотека готовых периферийных устройств, из которых можно легко и просто выбирать необходимые для проекта узлы. Но ASIC-базовые CSoC устройства все еще испытывают муки наследия недостатков проектов на ASIC - значительные начальные капиталовложения и длительный цикл разработки. Все основные проблемы интегрирования процессора, периферии и программируемой логики все еще лежат на плечах разработчика. Следует заметить, что по состоянию дел на 2-й квартал 2001 года еще никто из производителей ASIC не объявил, что отгружает продукцию класса CSoC этой реализации.

Стандартные изделия класса CSoC обеспечивают комбинацию гибкости проектирования и скорости выхода конечной продукции на рынок без привлечения значительных инвестиций на начальном этапе. Это дает большинству разработчиков реальную альтернативу ASIC. Стандартные устройства CSoC в свою очередь могут быть разбиты на два подкласса - специализированные и общего назначения.

К подклассу специализированных CSoC можно отнести, например, "реконфигурируемый сетевой процессор" фирмы Сhameleon Systems, предназначенный прежде всего для рынка телекоммуникаций. Процессор CS2112 имеет встроенное аппаратное ядро ARC, которое используется лишь как контроллер, управляющий процессами на встроенной 128-битной скоростной шине RoadRunner, разделенной для выполнения различных операций. Основой же системы является "программируемая фабрика", которая с помощью шины RoadRunner обменивается потоками данных как с процессорным ядром, так и с другими внешними устройствами по шине PCI. В первом серийно выпускаемом кристалле Chameleon CS2112 "программируемая фабрика" состоит из четырех сегментов, каждый из которых имеет три сектора. Внутри каждого сектора находятся : массив программируемой логики управления, четыре локальных массива памяти с организацией 128 х 32, сдвоенный аппаратный умножитель 16 х 24 и семь 32-битных логических блока обработки канала, сходных по своим функциональным параметрам с арифметико-логическим устройством. Таким образом, один кристалл CS2112 содержит 84 блока обработки канала, 24 аппаратных умножителя, 48 блоков встроенной памяти общей емкостью 24 кбайт и программируемую логику управления. Основным преимуществом такого распределения процессорной обработки является эффективная поддержка алгоритмов цифровой обработки сигналов. CS2112 осуществляет 1024-точечное преобразование Фурье за 10 микросекунд, а также реализует 48-точечный КИХ-фильтр с частотой выборки 125МГц. Данный продукт рассчитан на применение в мобильной телефонии стандарта CDMA, где необходимо принимать и обрабатывать данные "непосредственно с антенны", что требует большой вычислительной мощности и, следовательно, применения нетрадиционной процессорной архитектуры. Стандартные решения на DSP здесь малоэффективны, хотя те же самые DSP превосходно работают, например, при построении вокодеров. Каждый сегмент CS2112 имеет активную и вспомогательную конфигурационные плоскости. Инструкции для изменения архитектуры процессора являются динамически программируемыми : сначала они загружаются во вспомогательную плоскость а затем активная и вспомогательная конфигурационные плоскости просто переключаются между собой. Это реализует эффект так называемой "электронной реконфигурации", при котором вся система может изменить свое аппаратное назначение за считанные наносекунды, в пределах одного цикла тактового генератора системы. Отсюда и название - "Хамелеон". [6].

В другом подклассе стандартных CSoC (общего назначения) наблюдается самая большая активность. Многие компании уже выпускают такие изделия или объявили о планируемом серийном выпуске микросхем, объединяющих на одном кристалле блок программируемой логики совместно с фиксированным микропроцессорным ядром и памятью (Atmel, Triscend, Quick Logic, Altera, Xilinx, LSI, Lucent, Cypress и др.). Можно отметить 32-разрядные ядра следующих фирм: Altera с процессорными ядрами ARM и MIPS (программа Excalibur), Quick Logic - с ядром MIPS, Xilinx - c ядром PowerPC и Triscend со своим вторым семейством А7 (ядро ARM7TDMI). Из систем, базирующихся на 8-разрядных решениях, наибольшего внимания заслуживают микросхемы FPSLIC с ядром AVR RISC производства Atmel, изделия PSoC фирмы Cypress Microsystems с ядром М8С и микросхемы E5 с ядром "turbo"8032 производства Triscend. Семейство FPSLIC уже достаточно подробно описано в русскоязычной литературе ([7] - [10]) и выпускается с октября 2000 года. Микросхемы семейства Е5 находятся в серийном производстве у Triscend более двух лет [11]. Изделия Cypress Microsystems семейства CY8C выпускаются со 2-го квартала 2001 года и примечательны прежде всего тем, что в дополнение к стандартным цифровым программируемым периферийным блокам они содержат реконфигурируемые аналоговые узлы. Это решение позволяет разработчикам выбирать и конфигурировать необходимые для его задачи цифровые и аналоговые блоки непосредственно на кристалле микросхем PSoC, создавая тем самым реальные производные аналого-цифровых систем сбора/обработки данных для встраиваемых применений [12].

Выпускаемые микросхемы действительно реализуют основную идею SLI. Например, микросхема CSoC семейства Е5 выполнена как однокристальный микроконтроллер с периферийным блоком в виде массива FPGA объемом от 5000 до 30000 логических вентилей. Такое изделие микроэлектроники может обеспечить разработчикам встраиваемых систем практически любую специализированную платформу-производную типового процессорного ядра MSC-51 без необходимости заказа как минимум 50 тыс. штук микросхем для получения заказного ядра с фиксированной под задачу периферией.

Нельзя также обойти вниманием и реализацию идеи реконфигурируемой системы на кристалле на микросхемах FPGA большой емкости (сотни тысяч эквивалентных логических вентилей). Данные изделия являются достаточно привлекательными средствами для достижения программируемого системного уровня интеграции и постепенно становятся конкурентноспособными по производительности с ASIC. Усиливает данное обстоятельство и то, что цены на кристаллы FPGA большой емкости постоянно снижаются, и с каждым годом широкому кругу разработчиков становится доступным все больший их сортамент.

Две крупнейшие компании, производящие микросхемы программируемой логики FPGA, также объявили о намерении выпускать изделия класса CSoC (или SoPC). Altera Corp. разработала собственную мегафункцию 16/32-разрядного процессора NIOS (программа Excalibur). Корпорация Xilinx планирует встроить на свой кристалл Virtex FPGA процессорное ядро PowerPC. Это ясно демонстрирует серьезность планов на этом сегменте рынка, которые потребуют привлечения значительных ресурсов и инвестиций. Другие производители FPGA также анонсировали свои специализированные продукты класса CSoC, например с аппаратным ядром PCI. Тем не менее, ни одна из этих компаний до сих пор не представила реальное изделие общего назначения класса SLI, что подразумевает наличие на одном кристалле интегрированных блоков памяти, процессора и программируемой логики.

Несмотря на то, что программируемость / конфигурируемость микросхем FPGA большой емкости является очень привлекательным фактором, они имеют ряд недостатков.

Во-первых, конечная цена на эти микросхемы все же остается достаточно высокой и не может конкурировать с ценами на такие же изделия, выполненные как ASIC. Это зачастую ограничивает применение FPGA большой емкости для реализации проектов массового назначения, и на их долю остается прототипирование подобных устройств, реализация уникальных проектов и опытных партий.

Во-вторых, длительность цикла разработки. Действительно, применение микросхем FPGA большой емкости позволяет значительно (в 2-3 раза по сравнению с ASIC) сократить время цикла разработки проекта. Тем не менее, сложность самих FPGA предполагает большую сложность как самого SLI - проекта, так и его разработки и верификации. Проекты на микросхемах FPGA емкостью уже от ста тысяч эквивалентных вентилей требуют для своей разработки значительных временных затрат. В целях ускорения процесса могут использоваться готовые IP-ядра (Intellectual Property) в виде законченных программных модулей, но процесс имплементации, верификации и симуляции таких больших ядер является сложным и длительным делом.

Конечно, наличие доступных IP-ядер в принципе существенно облегчает разработку проектов SoC, базирующихся на FPGA большой емкости. Мегафункции различных периферийных устройств, типов памяти и стандартных процессорных ядер могут быть приобретены у сторонних фирм и имплементированы на кристалл FPGA как независимые программные узлы. Однако, IP-ядра дороги, сложны для интегрирования в проект и зачастую неэффективны в смысле использования ресурсов кристалла. Кроме того, трудность интегрирования и стыковки друг с другом различных IP-ядер, закупленных у разных производителей, может значительно удлинить весь цикл разработки проекта. Проблемы в основном концентрируются при построении эффективных интерфейсов между различными ядрами. Опыт показывает, что до половины всех усилий при разработке проекта тратится на стадии интеграции IP-ядер и совместное тестирование, и именно в этой половине накапливаются всевозможные ошибки, которые в дальнейшем приходится устранять. Проблемы множатся, когда проект разбивается между несколькими группами разработчиков : обычно реализация аппаратной части проекта в целом завершается в начальной стадии его создания, а программной части - существенно позже. Поэтому имеет место длительный итерационный процесс разработки конечного изделия.

Следует отметить и неэффективность использования ресурсов кристалла FPGA в смысле реализации проектов CSoC. Архитектура FPGA ("Look-Up-Table") действительно удобна для построения потока данных. Тем не менее, поток управления удобнее и эффективнее строится на микропроцессорной архитектуре или на архитектуре CPLD ("Sum-of-Products"). Реализация задач потока управления на архитектуре FPGA неэффективна с точки зрения имплементации в кристалл. Именно поэтому некоторые производители FPGA вносят в последние поколения семейств микросхем значительные архитектурные изменения. Так, Altera Corp. выпускает семейство APEX, у которого встроенные логические блоки (Embedded Blocks) могут быть сконфигурированы для работы по архитектуре "Sum-of-Products" (хотя сконфигурированные таким образом блоки и не воспроизводят полноценную структуру макроячейки стандартной CPLD). Включение специализированных логических структур CPLD на такие большие устройства ясно показывает слабость реализации задач потока управления в современных "гомогенных" массивных структурах FPGA.

Наконец стоит сказать несколько слов о проблеме повышенного энергопотребления. Как известно, энергопотребление имеет три составляющие: статическую, динамическую и системную (ввод/вывод). Последние две играют наиболее заметную роль. Комбинация большого числа логических ячеек для реализации проекта и внутреннее распределенное дерево тактирования требуют большого количества энергии в процессе работы. Следовательно, чем больше ресурсов микросхемы FPGA используется для проекта типа SLI, тем заметнее растет динамическое энергопотребление системы на кристалле общего назначения, выполненной на FPGA. Помимо этого, наиболее значительная часть энергопотребления приходится на долю структуры ввода/вывода - энергия рассеивается каждый раз, когда выходные ключи, работающие на емкостную нагрузку печатной платы, переходят из одного логического состояния в другое. А так как большинство используемых микросхем FPGA большого объема должны соединяться шинами с внешними микропроцессорами и периферийными устройствами, то значительная доля энергии безвозвратно рассеивается драйверами ввода/вывода. Уменьшение общего числа дискретных компонентов в разрабатываемом проекте посредством системного уровня интеграции значительно снижает общее энергопотребление.

В заключение подытожим сказанное.

Очевидно, что системы на кристалле, базирующиеся на ASIC, являются в настоящее время наиболее рациональным решением. Любой реализованный ASIC дешевле самого изысканного программируемого или конфигурируемого решения Но цикл проектирования изделий этого класса сложен и длителен, стоимость разработки и верификации проектов остается высокой. И до сих пор не реализована даже частичная конфигурируемость микросхем класса ASIC. Поэтому SLI в полном смысле этого слова еще далека от оптимальной реализации на ASIC, так как не достигнут экстремум многопараметрической зависимости "цена - объем производства - многофункцинальность - простота разработки и сопровождения".

Системы на кристалле, базирующиеся на стандартных изделиях программируемой логики традиционных архитектур, являются приемлемой альтернативой ASIC, хотя и проигрывают последним в стоимости и производительности конечного изделия. И поскольку практически все современные системы содержат в себе потоки данных и управления, то реализация системного уровня интеграции на FPGA общего назначения будет неэффективной. Микросхемы FPGA пока еще не являются приемлемым решением для изделий SoC или SLI, а простое увеличение емкости FPGA не есть ценный с практической точки зрения выход.

Да, сейчас постепенно снижаются требования к объему начальных капиталовложений для заказа и производства ASIC. Так, если в 1998 году были необходимы начальные инвестиции в изделие ASIC на сумму не менее $100 тыс., то сейчас многие проекты могут быть реализованы при объеме начальных затрат около $20 тыс. Да, увеличивается количество микросхем с фиксированной архитектурой (в том числе и универсальных), с помощью которых в кратчайшие сроки можно "собрать" требуемое конечное изделие, решить конкретную задачу. Но остается общая проблема получения малогабаритного, функционально насыщенного, универсального, малопотребляющего класса микросхем, которые помимо всего должны быть еще и реконфигурируемыми. Представьте: один и тот же тип кристалла CSoC может решить несколько задач, например, заменить линейку серийно выпускаемых микроконтроллеров с различными периферийными блоками. А если выпускается несколько разновидностей таких микросхем CSoC с идеологически различными архитектурными особенностями?

Полупроводниковая промышленность должна совместить два в корне различных требования: аппаратный системный уровень интеграции на одном кристалле (ASIC) и временные преимущества для выхода на рынок новой продукции (программируемая логика). Многие фирмы-производители пытаются реализовать эти требования, предлагая различные компромиссы между темпами выхода на рынок конечных изделий и возможностью последующего конфигурирования системы самим пользователем. Оптимальное решение, которое появится в будущем, должно быть изделием общего назначения, стандартным продуктом, реконфигурируемой системой на кристалле, предоставлять пользователям качественно новые возможности. С ростом количества производителей микросхем CSoC различных архитектур цены на конечную продукцию постепенно будут снижаться, а ассортимент расти. Вполне возможно, что когда-нибудь родится и некое "универсальное" решение.

Федотов Я., Щука А. Система на кристалле // Электронные компоненты.-2001.-N2.-С.3-5.

Mixed-Signal ASIC Solutions // AMI Press, 2000.

System-on-Chip // micron AG Press, 2000.

Analog and Mixed-Signal ASICs // PREMA Semiconductor Press, 2000.

ASIC: Парад технологий. (Пер. О.Александрова) // Chip News.-2000.-N9.-C.8-11.

Wirbel L. Reconfigurables hit comms processing // EE Times Reprint.- May 2000.

Кривченко И. Системная интеграция в микроэлектронике - FPSLIC // Chip News.-2000.-N3.-С. 4-10.

Кривченко И. Системная интеграция в микроэлектронике - FPSLIC. Часть 2: FPSLIC - вопросы и ответы // Chip News.-2000.-N4.-С. 62-64.

Королев Н. ATMEL FPSLIC - элементная база XXI века // Chip News. 2001. N1. С. 16-19

Золотухо Р. System Designer - пакет для разработки устройств на основе FPSLIC // Chip News. 2001. N2. С. 8-14.

Золотухо Р., Кривченко И. Конфигурируемая система на кристалле Е5 - первое знакомство // Компоненты и технологии.-2001.-N1.-С.26-29.

Программируемые приборы класса "система-на-кристалле" для встраиваемых применений // Компоненты и технологии.-2001.-N2.-С.13.

Для организации законченной микропроцессорной системы (например, для сетевых приложений, рис.1) процессору необходимы как минимум еще три внешних микросхемы – энергонезависимая память, системная оперативная память и Ethernet-трансивер физического уровня. При выполнении всей системы на одном кристалле, т.е. при создании системы на одном кристалле (рис.2) разработчик получает целый ряд технических и экономических достоинств: экономится место на печатной плате, улучшается динамика работы схемы, отпадает необходимость согласовывать работу различных модулей, сокращается число и удешевляется общая стоимость применяемых компонентов. Чтобы проанализировать, насколько возможно создание системы на одном кристалле, рассмотрим основные микропроцессорные/микроконтроллерные платформы, реализующие эту концепцию (см. таблицу).

МИКРОПРОЦЕССОР HYNET32XS/S КОМПАНИИ HYPERSTONE

Компания Hyperstone, разработчик микросхем без собственных производственных мощностей, предлагает широкую номенклатуру 32-бит микропроцессоров и микроконтроллеров класса "система на кристалле", выполненных на базе RISC/DSP-архитектуры E1-32X. Благодаря объединению возможностей RISC- и DSP-процессоров компании удалось добиться увеличения производительности не за счет повышения тактовой частоты, а благодаря применению АЛУ для выполнения обычных RISC-команд и команд цифровой обработки сигнала. Процессоры выполняют команды прозрачно для пользователя с высокой степенью параллелизма, совместно используя набор регистров. Программы для микропроцессоров с архитектурой E1-32X, в сравнении с программами большинства RISC-процессоров, занимают более чем вдвое меньший объем памяти. Большая часть команд выполняется за один тактовый цикл. Микросхемы семейства предназначены для промышленных установок автоматизации, строительной техники, средств безопасности, систем "интеллектуального" дома, причем применение этих микросхем позволяет обойтись без дополнительных DSP-устройств. 32-бит микропроцессоры серии HyNet32XS на базе E1-32XR-ядра сочетают эксплуатационную гибкость с большим числом встроенных функций и интерфейсов, необходимых для сетевых решений (рис.3). Производительность микросхем серии – 220 MIPS и до 880 MOPS, тактовая частота – 220 МГц. Максимальная мощность, потребляемая микросхемой при работе в неблагоприятных условиях, не превышает 1,7 Вт.

МИКРОПРОЦЕССОР IP3K КОМПАНИИ UBICOM

Микропроцессоры семейства IP3000 – революционная платформа, предложенная компанией Ubicom и отвечающая требованиям стандартов быстродействующих средств передачи данных и многофункциональных беспроводных устройств. Так, первая микросхема 32-бит микропроцессора IP3023-250 может использоваться в высокопроизводительных сетевых устройствах или оборудовании инфраструктур беспроводных сетей стандартов 802.11a/b/g (маршрутизаторах, мостах и приёмопередатчиках беспроводной сети). Как утверждают разработчики, микропроцессоры IP3023 по производительности в три раза превосходят сравнимые по составу системы на кристалле на базе ARM- и MIPS-ядер, а сопоставимые с ними по быстродействию процессоры намного дороже.

Микропроцессоры IP3000 имеют так называемую многопотоковую архитектуру ввода/вывода программного обеспечения (Multithreaded Architecture for Software I/O – MASI), специализированную для применения в сетевом беспроводном оборудовании. В микросхеме заложены такие возможности, как восьмипотоковый режим работы без издержек переключения контекста, характерных для обычных микропроцессоров (рис.4). Предусмотрен также режим пересылки команд между блоками памяти, что обеспечивает непосредственную полноскоростную обработку пакетов данных, хранимых в схемной памяти. Это, в свою очередь, позволяет обойтись без кэш-памяти и тем самым не только снизить стоимость процессора, но и избежать потери быстродействия из-за промаха кэша. В результате микропроцессор IP3023 обеспечивает скорость передачи, характерную для проводных систем. При этом он занимает лишь четверть площади кристалла обычных процессоров и позволяет на 90% сократить объем внешней памяти, требуемой для поддержки устройств с традиционной архитектурой и универсальной операционной системой. Процессор IP3023 может работать как восемь отдельных устройств на частоте до 250 МГц с шагом 3,9 МГц. Ввод программного обеспечения может поддерживать до шести потоков. Архитектура микропроцессоров семейства позволяет интегрировать множество функций на кристалле как аппаратными, так и только программными средствами, в том числе поддержку интерфейсов 10/100 MII, 10Base-T Ethernet MAC/PHY, USB, GPSI, Utopia, PCMCIA, IDE, PCM Highway и CardBus/Mini PCI-интерфейса, присущего средствам мобильной связи стандартов 802.11a/g. Микропроцессор содержит ряд ключевых аппаратных блоков поддержки решений, необходимых для сетевой инфраструктуры, в том числе генератор случайных чисел, содействующий надежной реализации протоколов шифрования/защиты системы, а также устройство умножения с накоплением с фиксированной точкой, поддерживающее реализацию речевых/аудиокодеков и других задач обработки сигнала.

МИКРОПРОЦЕССОР NS9750 КОМПАНИИ NETSILICON

Компания NetSilicon известна отмеченным наградой семейством NET+ARM-микросхем, обеспечивающих для встроенных сетевых приложений решения на базе системы на кристалле. Благодаря формированию полнофункциональной системы на кристалле, включающей средства поддержки Ethernet-трансивера физического уровня и систем отображения информации, наличию устойчивой к ошибкам периферии и свободных средств обработки для приложений с самыми высокими требованиями к производительности стоимость микросхем семейства достаточно низка. А поскольку разработчик аппаратуры приобретает полностью интегрированное и испытанное решение, риски, связанные с созданием новых систем, сокращаются. Микропроцессор NS9750 – самый мощный в семействе систем на кристалле NET+ARM. Он выполнен на базе ARM 9 ядра – ARM926EJ-S – с такими расширениями, как блок управления памятью (MMU), сигнальный процессор, Java-ускоритель, КЭШ и программ и данных объемом 8К и 4 Кбайт, соответственно (рис.5). Тактовая частота его составляет 200 МГц, частота системных шин и шин памяти – 100 МГц, периферийных шин – 50 МГц. В микросхему входит также гибкий встроенный ЖКИ-контроллер, поддерживающий цветной ЖК-индикатор с ТПТ-схемой адресации, воспроизводящий 16 106 цветов, или цветной ЖК-дисплей на базе матрицы пассивных суперскрученных нематических элементов, воспроизводящий до 3375 цветов. Для приложений, требующих подключения к беспроводным локальным сетям, внешним системам памяти или датчикам, устройствам формирования изображения, сканерам предусмотрены PCI/CardBus- и USB-порты. Четыре многофункциональных последовательных порта, I2 C-порт и параллельный порт стандарта IEEE 1284 обеспечивают бесшовное подключение разнообразных внешних периферийных устройств. Микропроцессор изготовлен по бессвинцовой 0,13-мкм КМОП-технологии и отвечает требованиям закона, ограничивающего применение опасных для здоровья веществ (Restriction of Hazardous Substances – RoHS).

МИКРОКОНТРОЛЛЕР S3C2510A КОМПАНИИ SAMSUNG

Микроконтроллер S3C2510A предоставляет высокопроизводительные решения для таких систем, как маршрутизаторы сети SOHO, Интернет-шлюзы, точки доступа беспроводных локальных сетей и т.п. Микросхема построена на базе 16/32-бит ARM940T RISC-ядра, входящего в ARM9 Thumb-семейство процессоров класса "система на кристалле". Ядро микроконтроллера выполняет как 32-бит ARM, так и 16-бит Thumb команды, что позволяет пользователю выбирать между получением высокой производительности или высокой плотности кода. Кроме того, в микросхеме используется перспективная микроконтроллерная шинная архитектура (Advanced Microcontroller Bus Architecture – AMBA). Выполнен микроконтроллер по 0,18-мкм КМОП-технологии.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР AT91RM9200 КОМПАНИИ ATMEL

Выпущенный в начале 2003 года микроконтроллер AT91RM9200 представляет собой систему на кристалле, построенную на основе Thumb-процессора ARM920T. Он содержит богатый набор системных, прикладных периферийных устройств и стандартных интерфейсов. Предназначен для применений, требующих высокой производительности при минимальных значениях потребляемой мощности и стоимости: хост-процессоров средств управления, систем подключения GPS-приемников и поддержки GPRS-связи, промышленных автоматизированных комплексов, медицинского оборудования и кассовых терминалов. Быстродействующее внутриконтроллерное СОЗУ и внешний шинный интерфейс (External Bus Interface – EBI) обеспечивают бесшовное подключение к внешним схемам памяти и периферийным устройствам, требуемым для конкретного приложения. А встроенный интерфейс CompactFlash T позволяет добавлять к микросхеме модули системы беспроводной связи. Сложный блок управления питанием обеспечивает набор тактовых частот вплоть до низких (32 кГц) и позволяет уменьшать напряжение питания "простаивающих" периферийных устройств, благодаря чему потребляемая мощность при любых режимах работы минимальна. Микроконтроллер может быть использован как стандартное изделие и, тем самым, способствовать сокращению стоимости проектирования и сроков выхода разрабатываемого на его основе устройства на рынок или как платформа для разработки заказных микросхем типа ASSP и ASIC.

СЕМЕЙСТВО МИКРОПРОЦЕССОРОВ MCF5235 КОМПАНИИ

FREESCALE SEMICONDUCTOR

Представленный в 2004 году 16/32-бит микропроцессор MCF5235 компании Freescale Semiconductor (бывший сектор полупроводниковых изделий фирмы Motorola) объединяет популярное RISC-ядро ColdFire версии 2 с 16/32-канальным блоком улучшенного времени обработки (enhanced Time Processing Unit – eTPU), блоком управления доступом к 10/100 Ethernet и другими периферийными устройствами связи (рис.6). Производительность микропроцессора, составляющая 144 MIPS (в соответствии с тестом Dhrystone) на частоте 150 МГц, делает его пригодным для применения в сетевых системах и сложных комплексах реального времени, таких как промышленное оборудование управления, технологические установки и роботы. Кроме того, микросхемы MCF5235 предоставляют пользователям микропроцессоров МС68332 простой способ достижения более высокой производительности и поддержки сетевых решений благодаря применению нового поколения микросхем с улучшенными характеристиками и сопоставимой с предыдущим поколением ценой.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР ТС1130 (TRICORE) КОМПАНИИ INFINEON

Впервые представленный в начале 2004 года на выставке "Встроенный мир" (Embedded World Show) в Нюрнберге, 32-бит микроконтроллер ТС1130 представлял собой первую освоенную в массовом производстве микросхему с TriCore архитектурой, способную работать с полнофункциональной ОС Linux. Микроконтроллер рассчитан на применение в программируемых логических системах управления, высокопроизводительных электроприводах, промышленных средствах связи (ключах, сетевых концентраторах, маршрутизаторах) и бытовой аппаратуре (телевизионных абонентских приставках). Помимо отмеченной наградой TriCore-архитектуры, объединяющей RICS-, CISC- и DSP функциональные элементы на одном кристалле, в микросхему входят мощный MMU-блок, блок арифметики с плавающей запятой и специализированные для конкретного применения периферийные устройства (рис.7). Благодаря внутрисхемным 10/100 Ethernet контроллеру, четырем CAN-интерфейсам и USB-модулю микросхема TC1130 позволяет перейти от специализированных архитектур интерфейсов и средств связи промышленных систем к стандартным вариантам, принятым в компьютерной технологии. Это, в свою очередь, облегчает подключение систем управления и сетевого оборудования к производственным линиям и управление ими в реальном времени. Микроконтроллер работает на тактовой частоте 150 МГц, его производительность составляет 200 MIPS.

МИКРОПРОЦЕССОР ADM5120 КОМПАНИИ INFINEON-ADMTEK

Микросхема ADM5120 – высокопроизводительный и гибкий шлюзовой контроллер класса "система на кристалле", созданный тайваньской фирмой-разработчиком микросхем без собственных производственных мощностей ADMtek, которая в начале 2004 года была приобретена компанией Infineon Technologies с целью выхода последней на рынок домашних люзовых систем. В микросхеме, выполненной по 0,18-мкм КМОП-технологии, ядро MIPS32 4Kc процессора объединено с шестипортовым коммутатором, 10/100 Ethernet физическим уровнем, USB 1.1-хостом, PCI-шиной, UART, SDRAM и Flash-интерфейсами. Кроме того, в схему входят блоки flash-памяти NAND и NOR-типов. Микропроцессор позволяет реализовывать функции SOHO/SME шлюзового контроллера, функции преобразования сетевых адресов, сервера принтера, контроллера одно/многодиапазонной WLAN-точки доступа, шлюзового контроллера виртуальной частной сети. Микросхема обеспечивает совместное пользование домашними/офисными широкополосными средствами – проводными/беспроводными компьютерами, аппаратурой развлечений, принтерами и другими "умными" устройствами.

НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ

Программное обеспечение для системы на кристалле играет такую же важную роль, как и аппаратная платформа. И поэтому рассматривая современные системы на кристалле, нельзя не указать следующее используемое программное обеспечение (операционные системы):

Сравнение операционных систем

Операционные системы для систем на кристалле можно классифицировать по различным параметрам.

Технический критерий

По этому критерию ОС для систем на кристалле можно разделить на две большие группы. Первая – ОС, структура которых восходит к UNIX. К этой группе относятся такие системы, как ucLinux, Embedded Linux, VxWorks, eCos, Nucleus, Net+Works. Эти системы занимают большой объем памяти, что является серьезным недостатком для ОС, ориентированных на применение в системе на кристалле. К тому же, UNIX-системы были разработаны в первую очередь для персональных компьютеров, поэтому ОС первой группы в системах на кристалле не столь эффективны, как ОС второй группы – специальные ОС, созданные с учетом специфики таких устройств. К этой группе относятся: MQX, ipOS, HyNetOS. Специальные ОС компактны (занимают небольшой объем памяти), эффективны и оптимизированы для систем на кристалле.

Техническая поддержка/стабильность

При сравнении ОС важное значение имеют уровень технической поддержки и стабильность работы системы. По этому критерию можно выделить три группы. Первая – открытые ОС (Open source OS): ucLinux, Embedded Linux, eCos. Они либо вовсе не обеспечены технической поддержкой, либо техническая поддержка оказывается за отдельную высокую плату. В то же время стабильность открытых ОС достаточно высокая. Вторая группа – "дополнительные" ОС (предлагаемые производителями микропроцессоров): ipOS (Ubicom), Net+Works (NetSilicon). Тут следует отметить, что для производителей микропроцессоров программное обеспечение в целом не является стратегическим продуктом. Компании прежде всего концентрируют усилия на производстве процессоров, а программное обеспечение – это своего рода "добавка" к нему. Уровень технической поддержки и стабильность таких ОС, как правило, ниже, чем у ОС

третьей группы. Третья группа – коммерческие ОС (предлагаемые независимыми компаниями-производителями программного обеспечения): Nucleus, MQX, VxWorks, HyNetOS; ОС, не требующие лицензий: ucLinux, Embedded Linux, eCos, ipOS, Net+Works; ОС с лицензированием исходного кода: Nucleus; MQX, VxWorks; HyNetOS.

Все рассмотренные аппаратные платформы в сочетании с соответствующими ОС предназначены для различных сегментов рынка встраиваемых систем. В зависимости от конкретной области применения достоинства и недостатки имеют разный вес, однако по общей сбалансированности свойств аппаратной архитектуры и программного обеспечения наиболее соответствует определению "система на одном кристалле" решение на базе процессора Hynet32XS фирмы Hyperstone плюс операционная система HynetOS фирмы SND.


See also:
Для студента
Похожие записи

Комментарии закрыты.