x86構架的SoC及STPC的一種應用

關鍵詞：SoC STPC DoC

新世紀電子工程師們面臨的一個重要課題就是如何面對國民經濟和社會生活的信息化挑戰。以網絡通信、軟件和微電子為主要標志的信息產業的飛速發展，既為我們提供了一個前所未有的發展機遇，也營造了一個難得的市場與產業環境。隨著電子工業中深亞微米、超深亞微米技術的突破，以往電子工程師們擅長的電路設備正在一步步被IC設計所取代。也正是由于這種小型化的趨勢，使得SoC（System on Chip）成為超大規模集成電路(VLSI)的發展趨勢和新世界集成電路的主流。

1 x86構架的SoC

對于計算機的核心―CPU來說，從應用的角度可將其分為主要的三類：x86 CPU、嵌入式CPU和其它高性能CPU。x86 CPU是指PC用的CPU，即x86體系結構的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD和威盛（Cyrix）等公司與其兼容的CPU；嵌入式CPU是指應用了各種小型、專用信息設備里的CPU，主要是以低價格、低功耗為特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU；其它高性能CPU是指用于于服務器和超級計算機中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人們常說的“通用CPU”，一般是指x86 CPU。上述所謂“通用”或“專用”的分類都是不大嚴格的，例如ARM公司的CPU是“嵌入式CPU”，但它也非常通用；x86 CPU是“通用CPU”，但它也可以用在嵌入式設備上，而且現在x86 CPU的性能很高，在服務器上也有廣泛的應用。所以，這些分類都是相對的，只是在一定程序上反映這些CPU的特性。

SoC的出現，尤其是x86構架的SoC擴展了嵌入式系統應用領域，同時也推出了嵌入式操作系統和嵌入式軟件的發展，使得消費類電子產品的應用領域更加寬廣。實際上，目前SoC已經成為整個IC技術發展的一個主要方向?，F在，大家都在談論全球 PC市場發展速度的趨勢、談論所謂的“后PC時代”、談論信息家電。盡管2001年全球半導體產值將衰退20%以上，是半導體產業有史以來最大幅度的負增長，不過SoC技術的應用卻是有增無減。2000年約有40%的ASIC設計使用SoC技術，2001年有60%以上的ASIC設計使用SoC技術，顯然這并不是一個終結數字。

圖1 總體框圖

2 STPC

意法半導體公司（STMicroelectronics，簡稱ST）是最早充分認識到SoC技術對消費電子業意義的芯片制造廠商之一。正是由于ST具有敏銳的洞察力，當然不會放過兼容Intel x86 CPU的SoC市場。1995年，當ST的新風險組織（NVG）意識到越來越多的嵌入式應用需要構建PC結構的平臺，而ST也有能力和技術在單一芯片為用戶提供這樣的一個平臺時，STPC就誕生了。今天，STPC已經能夠提供從486到PII級的、整合了芯片集的x86構架的SoC。

STPC高度綜合的x86 PC兼容SoC設備家族中的3個新設備是建立在0.25μm技術上的。該技術允許它們提供高度綜合、低能源消耗和低成本。它們是：STPC-Client、STPC-Customer II和STPC Industrial。其共有的功能如下：

*64位、133MHz x86兼容的CPU；

*8KB L1高速緩存；

*轉移率為720MB/s的64位SDRAM內存控制器；

*PC兼容的DMA、中斷、定時控制器；

*ISA和PCI總線控制器；

*總線控制EIDE控制器；

*JTAG測試端口。

每種STPC設備的目標都有不同類型的應用。

①STPC-Client。“無組織應用”的“服務器產品引擎”。典型的應用是帶有存儲器的網絡、防火墻、Web服務器、傳真服務器、打印服務器、家庭網關、路由器、PBX等。

STPC-Client增加的功能：

*16線通用I/O模塊。

②STPC-Customer II。使用TV或監控器來實現顯示和視頻性能的產品的“TV產品引擎”。典型的應用是Web盒、可訪問Web的TV和TV機頂盒、Web DVD等。

STPC-Customer II增加的功能：

*帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速；

*PAL/NTSC TV視頻輸出接口；

*視頻輸入端口。

③STPC Industrial。帶有CRT或TFT LCD顯示的產品和終端的“上網產品/終端引擎”。典型的應用是Internet終端、瘦型客戶機終端、Web電話、Web便簽簿、汽車導盤設備和娛樂系統。

STPC-Industrial增加的功能：

*帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速功能；

*TFT LCD顯示接口；

*視頻輸入端口；

*PS/2鍵盤和鼠標；

*PC兼容的雙UART和并行端口；

*雙USB主機集線器；

*PCMCIA/Cardbus控制器。

圖2 STPC-Industrial的邏輯結構

3 基于STPC-Industrial的設計應用

正是由于STPC為我們提供了設計PC構架的嵌入式系統的基礎，使得嵌入式應用能夠實現更多的功能。

下文介紹一種基于STPC-Industrial的平板網絡終端設備的設計與實現。該設備工作于各種互聯網絡中，通過運行在DoC（Disk on Chip）上的程序完成一個個網絡節點的輸入/輸出。該設備的總體框圖如圖1所示。

（1）PC部分

該設備的核心PC部分采用的是STPC-Industrial芯片，圖2是STPC-Industrial芯片的邏輯結構圖。

系統配置：

133M x86 CPU、128K BIOS、64MB DRAM、2個串口、USB接口、15英寸LCD。

（2）網卡部分

該設備采用的是PCI接口的，10/100M自適應網絡控制器―AM79C973。由它來構成網絡接口。

（3）Disk on Chip

作為一個嵌入式系統，該設備并不需要配備大容量的硬盤，而只需將嵌入式操作系統和應用程序存放于一個64MB容量的DoC中，即可滿足應用要求。DoC中的程序可通過網絡下載，也可在調試過程中通過調試用的串口編制。

DoC占用系統0CC00:0～0CFFF:F這16K的空間。DoC的譯碼及控制邏輯由Lattice公司的CPLD產品―iM4A5 192/96中的邏輯實現。該邏輯在Lattice公司的EDA工具―ispDESIGN EXPERT下用Verilog HDL語言編寫完成。

（4）操作系統及應用軟件

該設備為用戶提供的是一個完整的網絡終端解決方案。用戶可根據需要將一個簡化的操作系統和應用程序通過網絡下載到DoC上，構成一個完整的網絡終端。

（5）特點及應用領域

由于該設備提供的是一個較為通用的硬件平臺，故具有相當的靈活性，即只需將應用軟件稍加改動或添加少量的設備就可適用于更多的領域。如：

①采用工業級或軍用芯片，并對機箱進行加固處理，即可構成適用于工業控制領域的瘦型網絡終端或軍用領域的單兵作戰系統的硬件平臺；

②與GPS設備相連接，并加裝存放電子地圖的大容量USB硬盤，在該設備上運行GIS，即可適用于汽車電腦、船只導航等領域。

這種基于STPC的網絡終端設備最大的特點是體積小、結構簡單、功能強大、軟件適用性強。該設備可作為瘦型網絡終端廣泛應用于銀行、證券等金融機構和公共網絡接入的柜臺、查詢等業務，同時也可作為網絡終端節點應用于工業控制領域和軍用領域，具有良好的市場前景。

綜上所述，SoC是未來IC的發展方向，尤其是x86構架的SoC更是為嵌入式系統的應用開辟了新的天地。它的發展將推動科學研究、科技發展，并且可以給我們帶來更多具備多樣化功能和多用途的產品。