如何掌握體系編程和SOC編程 SOC設計和編程關(guān)系

筆者將從芯片IC的系統設計的角度去詮釋如何掌握體系編程和SOC編程。筆者有超過(guò)10年的嵌入式研發(fā)經(jīng)驗，作為架構師多次主導過(guò)基于ARM/MIPS/51核的多媒體SOC研發(fā)并成功量產(chǎn)案例，希望本系列文章能給嵌入式學(xué)習者和從業(yè)者有較深刻的指引。

一、體系編程的邊界和范疇

嵌入式開(kāi)發(fā)人員往往從最簡(jiǎn)單的51單片機編程開(kāi)始，然后慢慢會(huì )接觸到PIC、AVR、STM32等系列或者型號控制器，還會(huì )可能轉向三星S5PV210、Exynos4412等高端處理器編程。

開(kāi)發(fā)人員一般的開(kāi)發(fā)過(guò)程都是理解完該型號控制器或者處理器對應的指令集和datasheet，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的例程開(kāi)始編程，而最普遍的模塊是GPIO、中斷和定時(shí)器timer。在接觸到多種類(lèi)型的處理器編程之后，我們可能會(huì )有歸納式的疑問(wèn)：

在include一個(gè)代表該型號IC的register map的頭文件后，某些系列芯片的控制編程可能是完全一樣的，而不同系列芯片的控制編程也是類(lèi)似，唯一的不同可能在于寄存器命名的不同。這是為什么？

要回答這些問(wèn)題，我們必須要弄懂體系編程的范疇，明確體系編程的邊界。要深刻地理解體系編程，我們需要從芯片的系統設計的角度去理解芯片的研發(fā)構成，可以參考筆者之前撰寫(xiě)過(guò)的《集成電路設計和分工》。

其中有一點(diǎn)非常重要，就是我們要理解CPU核心和SOC的關(guān)系。這個(gè)世界上有能力研發(fā)SOC（System on chip片上系統）的公司很多很多，大到大名鼎鼎的蘋(píng)果和三星公司，小到深圳那些籍籍無(wú)名但又很賺錢(qián)的芯片設計公司都是屬于這個(gè)行列。而CPU核呢，放眼世界，能設計CPU知識產(chǎn)權核的就那么幾家，如Intel的X86，ARM公司的ARM核，MIPS公司的MIPS核，51內核也算一個(gè)。這里要說(shuō)明一點(diǎn)，中國沒(méi)有，國家雖然重點(diǎn)扶持集成電路，但高層也知道這個(gè)砸重金也沒(méi)用，實(shí)實(shí)在在的先把集成電路封裝、工藝等技術(shù)發(fā)展起來(lái)再說(shuō)?，F在的android智能機都是基于A(yíng)RM核的，想知道ARM之父是誰(shuí)嗎？前不久大師steve furber在廣東工業(yè)大學(xué)做了講座：

SOC都是根據市場(chǎng)需求和功能定位，在某個(gè)類(lèi)型的CPU核基礎上集成各種通用的外圍模塊控制器，如前面說(shuō)的GPIO、INT和TIMER，和一些專(zhuān)用的模塊控制器，如TI公司的藍牙單芯片CC2541集成的藍牙基帶和射頻控制器。SOC和CPU核的關(guān)系如下圖：

體系編程明顯是針對體系結構的編程，而體系的載體就是CPU。因此，89C51、CC2541等都是51體系編程，而PIC32、ATJ213X都是基于MIPS體系編程，而S5PV210和S3C2440都是ARM體系編程。對同一家CPU核設計公司，它沒(méi)有理由將自己的CPU核設計成風(fēng)格迥異，同一家公司不同的CPU處理器系列應該遵循同一個(gè)體系結構。那么，體系結構的范疇是什么？是上圖中紅色的部分，其包括CPU核的設計和總線(xiàn)的時(shí)序和控制標準。而CPU核又細分CU（控制單元）和PU（運算單元），CU再分取指、譯碼、訪(fǎng)問(wèn)寄存器、回寫(xiě)存儲單元等流水線(xiàn)操作，高級CPU一般還會(huì )集成協(xié)處理。因此體系架構編程一般包括以下內容：

1）指令集（尋址、運算）、匯編偽指令

2）流水線(xiàn)、指令預取和跳轉規則。在流水線(xiàn)的工作模式下，指令預取當前執行指令的下面N條指令，因此PC和執行地址并不一致，因此假如發(fā)生中斷、異常等情況下的返回地址要如何確定。

3）協(xié)處理（MMU虛擬內存、cache緩存）

4）寄存器使用和參數傳遞規范（ABI）。其要解決寄存器級如何實(shí)現C語(yǔ)言的參數傳遞。請參考筆者之前的博文《C/匯編混合編程接口--MIPS ABI》

5）異常中斷處理（硬件中斷、一般異常、指令陷入中斷等），上圖中的INT管理所有的硬件中斷，如串口、定時(shí)器、外部等中斷，并將所有的中斷引腳進(jìn)行或之后送入CPU的中斷信號。因此，對于CPU來(lái)說(shuō)，當發(fā)生中斷時(shí)，它并不知道是哪個(gè)模塊發(fā)生了中斷，只有INT模塊才知道。

6）調試規范

7）總線(xiàn)規范。對于編程人員來(lái)說(shuō)，并不需要太關(guān)心總線(xiàn)規范。但它是SOC芯片設計的重要規范。它規定了總線(xiàn)的時(shí)序和仲裁的規范以及存儲工作模式（馮諾依曼還是哈佛結構）。

對于一個(gè)CPU核設計公司來(lái)說(shuō)，它會(huì )給SOC芯片設計公司提供兩樣東西，一是體系設計相關(guān)規范，如ARMV7指令集，描述了每一條指令執行的偽代碼過(guò)程（這個(gè)偽代碼針對的是硬件語(yǔ)言，如HDL）;另一樣東西是特定系列CPU的設計規范，以及在該規范下實(shí)現的CPU IP核（知識產(chǎn)權核），為RTL寄存器級電路。

那么，對于同一個(gè)體系下不同的系列，他們的差異在哪里？

例如，ARM公司現在的發(fā)展方向是Cortex A系列主要面向高端消費類(lèi)電子，如手機平板，Cortex R主要面向軍工、航空等實(shí)時(shí)要求高的場(chǎng)合，Cortex M系列則是搶占低端控制器市場(chǎng)，如STM32，STM8等。三者的體系都是ARM體系結構，但三者的工藝、功耗、性能并不一樣，而且，CPU核集成的東西是不一樣的，例如M系列并沒(méi)有集成cache，相當A系列，M系列的MMU也是一個(gè)簡(jiǎn)化版。

體系編程是嵌入式架構師和操作系統開(kāi)發(fā)人員需要精通的，對于一般的開(kāi)發(fā)人員比較少接觸到。以上的分析都是基于理論層面的分析。而SOC編程則是面向廣大的普通開(kāi)發(fā)者，將會(huì )從系統設計的角度指導大家如何進(jìn)行SOC編程。

二、SOC編程的范疇和定義

SOC編程是針對片上集成模塊進(jìn)行寄存器控制編程。在開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，我們往往把SOC編程和體系編程統稱(chēng)為體系編程了。沒(méi)關(guān)系，只要我們理解清楚他們之間的關(guān)系就可以了。

那么SOC編程的范疇是什么？

1） 通用控制模塊，如CLOCK、GPIO、INT、TIMER、UART等。

2） 專(zhuān)用控制模塊，如LCD、藍牙、編解碼等。

有些模塊不需要通過(guò)引腳連接外圍設備就可以完成功能，如TIMER，大部分模塊需要通過(guò)引腳連接外圍設備來(lái)完成功能。因此芯片片上集成的是模塊的控制部分，例如LCD控制器，該控制電路實(shí)現LCD驅動(dòng)器（外圍設備）所需要的數據傳輸時(shí)序、行信號、列信號和設置接口等。換一個(gè)角度說(shuō)，如果沒(méi)有LCD控制器，我們也一樣能夠通過(guò)GPIO來(lái)模擬出LCD驅動(dòng)器的時(shí)序，但是這樣做，對于普通的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)太復雜，對CPU來(lái)說(shuō)也是一個(gè)沉重的負擔。所以系統設計人員會(huì )針對LCD驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現專(zhuān)有的控制電路。

那么對于LCD控制器來(lái)說(shuō)，我們SOC編程來(lái)做什么呢？至少，我們需要給LCD控制器一個(gè)標識，讓它啟動(dòng)或者關(guān)閉，如何給出這個(gè)信號呢？LCD控制器電路無(wú)非是一堆的時(shí)序電路和邏輯組合電路，啟動(dòng)和關(guān)閉可以用一個(gè)信號輸入來(lái)表示，而該信號在CPU看來(lái)可以映射成一個(gè)寄存器的其中一個(gè)bit。因此，SOC編程即是針對寄存器編程。對于LCD控制編程，當然不只一個(gè)寄存器這么簡(jiǎn)單，因為對于一個(gè)SOC廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，它希望能兼容市面越多的LCD驅動(dòng)器，兼容不同的分辨率和圖像深度，因此肯定會(huì )有不同的寄存器來(lái)進(jìn)行設置。

從教學(xué)的角度來(lái)總結，體系編程和SOC編程分為五個(gè)層次：

1）體系指令集，如ARM指令集

2）特定系列的CPU規范，如基于A(yíng)RM體系的CortexA8核

3）SOC級，在CPU核的bus總線(xiàn)基礎上集成clock、timer、interrupt、GPIO等控制器，如三星的S5PV210和TI的OMAP3430都是基于Cortex A8核。

4）板級電路，如開(kāi)發(fā)板、手機主板電路，其電路圖將明確SOC的引腳和外圍設備的連接關(guān)系。如GPIO A的第一個(gè)引腳接LED0，那要控制LED0就需要對GPIOA0進(jìn)行控制編程。

5）外圍設備規格，表示板級電路圖上所有外圍設備的規格，如具體LCD SPEC（尺寸、分辨率、延時(shí)參數等）。

筆者給SOC編程的過(guò)程定義是：基于1）和2）的指令集和CPU總線(xiàn)控制機制，根據具體外圍設備5）的特性參數和4）具體的電路連接關(guān)系，對3）SOC對應控制模塊的寄存器進(jìn)行編程，達到控制、使用的目的。

三、SOC設計和編程

理解SOC系統設計能夠極大地幫助編程，每款SOC的控制例程都是由SOC系統設計人員給出，因為他們也需要通過(guò)編程來(lái)對SOC芯片進(jìn)行功能測試和驗證。

另外，我們需要明白的一個(gè)觀(guān)點(diǎn)是，對于不同的體系來(lái)說(shuō)，同樣的模塊的設計思路是基本一致的，或者可以說(shuō)，從編程的角度來(lái)說(shuō)，片上集成的模塊的設計控制過(guò)程無(wú)關(guān)于體系結構（兩者有關(guān)更多的是在總線(xiàn)控制方面，而這個(gè)跟編程人員來(lái)說(shuō)關(guān)系不大）。因此基于A(yíng)RM體系的LCD控制器和基于MIPS體系的LCD控制器，其設計思路都是一致的，不同系統的GPIO控制也是一致的。盡管底層的寄存器電路可能不一樣，但對于上層編程人員看來(lái)，兩者是一致的，不同的可能只是寄存器名稱(chēng)。例如51單片機和arm處理器的GPIO都是輸入寄存器、輸出寄存器、方向寄存器、上下拉寄存器等等。

下面就以CLOCK和GPIO為例說(shuō)明SOC編程，盡量提取通用的設計和控制過(guò)程。

1．最小系統

最小系統除了CPU和RAM之后，還有一個(gè)重要的組件就是晶振。SOC或者CPU說(shuō)到底都是一堆邏輯組合電路和時(shí)序電路，時(shí)序電路需要時(shí)鐘才能正常工作，而晶振就是提供時(shí)鐘的，其在上電后不斷地產(chǎn)生時(shí)鐘。

2. CLOCK

一般的低端單片機并沒(méi)有時(shí)鐘控制模塊，其直接利用晶振（如12M或者24M）工作，即CPU的工作頻率就是12M或者24MHz。但是作為一個(gè)高級處理器來(lái)說(shuō)，其支持的主頻達到1G或者更高。而市場(chǎng)上并沒(méi)有1G的晶振，因此SOC內部必然要實(shí)現調頻，PLL鎖相環(huán)倍頻技術(shù)被廣泛應用在處理器的CLOCK模塊中，其是將晶振的頻率進(jìn)行倍頻提升。CLOCK模塊除了實(shí)現倍頻的控制外，還需要考慮這樣的需求：

1）SOC集成的模塊很多，各種模塊的工作頻率并不盡相同，或者說(shuō)是在不同的層級，例如CPU和GPU、RAM的工作頻率在G級，LCD的工作頻率則在100M左右，視頻編解碼的工作頻率百M級別，而像GPIO、串口這些模塊的工作頻率可以在10M級別。因此CLOCK還需要進(jìn)行分頻。所以CLOCK模塊一般的處理方法是將模塊進(jìn)行分類(lèi)，并進(jìn)行一級分頻。例如，S5PV210的CLOCK會(huì )將頻率分為三個(gè)范圍，M域供給CPU、中斷異常等，D域供給LCD、JPEG、HDMI等，P域供給GPIO、UART等外圍設備。每個(gè)域都給定一個(gè)頻率（可以通過(guò)控制器調節）。

2）對于在同一個(gè)域內的模塊，其工作頻率不盡相同，因此允許其內部進(jìn)行二級分頻。

因此，對于一個(gè)高級處理器集成的模塊編程來(lái)說(shuō)，設置好其CLOCK源頻率的相關(guān)寄存器是第一步。一般一級分頻由操作系統開(kāi)發(fā)人員設定，二級分頻設置由各模塊的開(kāi)發(fā)人員負責。

3.引腳復用

芯片封裝是芯片成本的重要組成部分，而封裝涉及到引腳復用，而且芯片封裝也涉及到最終產(chǎn)品的BOM成本，因此在系統設計時(shí)的引腳復用是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)，可以說(shuō)SOC集成電路公司的絕密技術(shù)。盡可能高效地進(jìn)行引腳復用非常關(guān)鍵。

對于編程人員說(shuō)，我們要做什么呢？那就是記得每個(gè)引腳都可能是功能復用引腳，在使用這個(gè)引腳之前，必須設置該引腳的功能。引腳一般默認是GPIO功能，如果我們要使用該引腳進(jìn)行串口或者LCD等控制線(xiàn)功能，就必須對該引腳對應的功能寄存器進(jìn)行設置。這是SOC編程的第二步。

CLOCK和引腳功能設置對所有模塊都是適用的。

4.GPIO

這里我們要談通用的模塊GPIO。對于GPIO編程來(lái)說(shuō)，我們應該非常熟悉了，那就是它一定帶有輸入數據寄存器、輸出數據寄存器、輸入輸出高阻態(tài)設置寄存器、上下拉設置寄存器。一般的過(guò)程是：

1）設置上下拉寄存器

2）設置引腳的方向

3）通過(guò)輸入數據寄存器讀入數據或者寫(xiě)數據到輸出數據寄存器。

記得功能引腳設置也是需要的。有些高級SOC可能還會(huì )有驅動(dòng)能力等級設置寄存器，控制引腳的驅動(dòng)強度。

5.INT

請參考筆者的博文《軟件和硬件都是對生活的高度抽象---論中斷控制（ARM體系編程）》。
編輯;hfy