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x86構(gòu)架的SoC及STPC的一種應(yīng)用
摘要：講述x86構(gòu)架的SoC的發(fā)展及近況，并描述一種基于STPC-Industrial芯片的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、軟件適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：SoC STPC DoC
新世紀(jì)電子工程師們面臨的一個(gè)重要課題就是如何面對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的信息化挑戰(zhàn)。以網(wǎng)絡(luò)通信、軟件和微電子為主要標(biāo)志的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，既為我們提供了一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇，也營(yíng)造了一個(gè)難得的市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)環(huán)境。隨著電子工業(yè)中深亞微米、超深亞微米技術(shù)的突破，以往電子工程師們擅長(zhǎng)的電路設(shè)備正在一步步被IC設(shè)計(jì)所取代。也正是由于這種小型化的趨勢(shì)，使得SoC（System on Chip）成為超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展趨勢(shì)和新世界集成電路的主流。
1 x86構(gòu)架的SoC
對(duì)于計(jì)算機(jī)的核心—CPU來(lái)說(shuō)，從應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用了各種小型、專用信息設(shè)備里的CPU，主要是以低價(jià)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(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人們常說(shuō)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(yán)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(shè)備上，而且現(xiàn)在x86 CPU的性能很高，在服務(wù)器上也有廣泛的應(yīng)用。所以，這些分類都是相對(duì)的，只是在一定程序上反映這些CPU的特性。
SoC的出現(xiàn)，尤其是x86構(gòu)架的SoC擴(kuò)展了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也推出了嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟件的發(fā)展，使得消費(fèi)類電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域更加寬廣。實(shí)際上，目前SoC已經(jīng)成為整個(gè)IC技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向�，F(xiàn)在，大家都在談?wù)撊?PC市場(chǎng)發(fā)展速度的趨勢(shì)、談?wù)撍^的“后PC時(shí)代”、談?wù)撔畔⒓译姟１M管2001年全球半導(dǎo)體產(chǎn)值將衰退20%以上，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有史以來(lái)最大幅度的負(fù)增長(zhǎng)，不過(guò)SoC技術(shù)的應(yīng)用卻是有增無(wú)減。2000年約有40%的ASIC設(shè)計(jì)使用SoC技術(shù)，2001年有60%以上的ASIC設(shè)計(jì)使用SoC技術(shù)，顯然這并不是一個(gè)終結(jié)數(shù)字。
圖1 總體框圖
2 STPC
意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱ST）是最早充分認(rèn)識(shí)到SoC技術(shù)對(duì)消費(fèi)電子業(yè)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(dāng)然不會(huì)放過(guò)兼容Intel x86 CPU的SoC市場(chǎng)。1995年，當(dāng)ST的新風(fēng)險(xiǎn)組織（NVG）意識(shí)到越來(lái)越多的嵌入式應(yīng)用需要構(gòu)建PC結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，而ST也有能力和技術(shù)在單一芯片為用戶提供這樣的一個(gè)平臺(tái)時(shí)，STPC就誕生了。今天，STPC已經(jīng)能夠提供從486到PII級(jí)的、整合了芯片集的x86構(gòu)架的SoC。
STPC高度綜合的x86 PC兼容SoC設(shè)備家族中的3個(gè)新設(shè)備是建立在0.25μm技術(shù)上的。該技術(shù)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(zhuǎn)移率為720MB/s的64位SDRAM內(nèi)存控制器；
*PC兼容的DMA、中斷、定時(shí)控制器；
*ISA和PCI總線控制器；
*總線控制EIDE控制器；
*JTAG測(cè)試端口。
每種STPC設(shè)備的目標(biāo)都有不同類型的應(yīng)用。
①STPC-Client�！盁o(wú)組織應(yīng)用”的“服務(wù)器產(chǎn)品引擎”。典型的應(yīng)用是帶有存儲(chǔ)器的網(wǎng)絡(luò)、防火墻、Web服務(wù)器、傳真服務(wù)器、打印服務(wù)器、家庭網(wǎng)關(guān)、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(jiān)控器來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示和視頻性能的產(chǎn)品的“TV產(chǎn)品引擎”。典型的應(yīng)用是Web盒、可訪問(wèn)Web的TV和TV機(jī)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(chǎn)品和終端的“上網(wǎng)產(chǎn)品/終端引擎”。典型的應(yīng)用是I
nternet終端、瘦型客戶機(jī)終端、Web電話、Web便簽簿、汽車導(dǎo)盤設(shè)備和娛樂(lè)系統(tǒng)。
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(biāo)；
*PC兼容的雙UART和并行端口；
*雙USB主機(jī)集線器；
*PCMCIA/Cardbus控制器。
圖2 STPC-Industrial的邏輯結(jié)構(gòu)
3 基于STPC-Industrial的設(shè)計(jì)應(yīng)用
正是由于STPC為我們提供了設(shè)計(jì)PC構(gòu)架的嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使得嵌入式應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。
下文介紹一種基于STPC-Industrial的平板網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備工作于各種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)運(yùn)行在DoC（Disk on Chip）上的程序完成一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸入/輸出。該設(shè)備的總體框圖如圖1所示。
（1）PC部分
該設(shè)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(jié)構(gòu)圖。
系統(tǒng)配置：
133M x86 CPU、128K BIOS、64MB DRAM、2個(gè)串口、USB接口、15英寸LCD。
（2）網(wǎng)卡部分
該設(shè)備采用的是PCI接口的，10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制器—AM79C973。由它來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)接口。
（3）Disk on Chip
作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，該設(shè)備并不需要配備大容量的硬盤，而只需將嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序存放于一個(gè)64MB容量的DoC中，即可滿足應(yīng)用要求。DoC中的程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載，也可在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)調(diào)試用的串口編制。
DoC占用系統(tǒng)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(chǎn)品—iM4A5 192/96中的邏輯實(shí)現(xiàn)。該邏輯在Lattice公司的EDA工具—ispDESIGN EXPERT下用Verilog HDL語(yǔ)言編寫完成。
（4）操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件
該設(shè)備為用戶提供的是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)終端解決方案。用戶可根據(jù)需要將一個(gè)簡(jiǎn)化的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到DoC上，構(gòu)成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)終端。
（5）特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域
由于該設(shè)備提供的是一個(gè)較為通用的硬件平臺(tái)，故具有相當(dāng)?shù)撵`活性，即只需將應(yīng)用軟件稍加改動(dòng)或添加少量的設(shè)備就可適用于更多的領(lǐng)域。如：
①采用工業(yè)級(jí)或軍用芯片，并對(duì)機(jī)箱進(jìn)行加固處理，即可構(gòu)成適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的瘦型網(wǎng)絡(luò)終端或軍用領(lǐng)域的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)；
②與GPS設(shè)備相連接，并加裝存放電子地圖的大容量USB硬盤，在該設(shè)備上運(yùn)行GIS，即可適用于汽車電腦、船只導(dǎo)航等領(lǐng)域。
這種基于STPC的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備最大的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、軟件適用性強(qiáng)。該設(shè)備可作為瘦型網(wǎng)絡(luò)終端廣泛應(yīng)用于銀行、證券等金融機(jī)構(gòu)和公共網(wǎng)絡(luò)接入的柜臺(tái)、查詢等業(yè)務(wù)，同時(shí)也可作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)前景。
綜上所述，SoC是未來(lái)IC的發(fā)展方向，尤其是x86構(gòu)架的SoC更是為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)辟了新的天地。它的發(fā)展將推動(dòng)科學(xué)研究、科技發(fā)展，并且可以給我們帶來(lái)更多具備多樣化功能和多用途的產(chǎn)品。
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