Vorlesung Rechnersysteme II

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Tomas Ackermann
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1 Vorlesung Rechnersysteme II Kapitel 3 System-on-Chip Kits Christian Hochberger, TU Darmstadt

2 System-on-Chip Kits Begriff System-on-Chip Komponenten eines SoC-Kits FPGA-Spezifika eine SoC-Kits MP-SoCs Beispiele für SoC-Kits Xilinx Plattform Studio SpartanMC SoC-Kit Christian Hochberger, TU Darmstadt 2

3 System-on-Chip Grundidee: Alle Komponenten des vollständigen Systems auf einem Chip System besteht aus Prozessorkern Speicher Peripherie Gründe Zuverlässigkeit Kosten Christian Hochberger, TU Darmstadt 3

4 Mikrocontroller Urform des SoCs Ursprünglich Wenige µc-typen Erweiterbarkeit enthalten Für spezielle Peripherie Für Speicherausbau Typische Vertreter: 80C31, 68HC05, c166/167 Eigentlich noch recht weit weg vom SoC Christian Hochberger, TU Darmstadt 4

Speicherausbau Typische Vertreter: 80C31, 68HC05, c166/167

5 Mikrocontroller (2) Moderne Mikrocontroller Viele Varianten einer Familie verfügbar Variationen: Speicherausbau und Speichertechnologie Peripherieauswahl Keine Erweiterbarkeit Typische Vertreter: MSP 430, H8/300, PIC, AVR8, AVR32, Wirkliche SoCs: Spannung anschließen, fertig (naja, meistens noch passive Komponenten für Takterzeugung erforderlich) Christian Hochberger, TU Darmstadt 5

Vertreter: MSP 430, H8/300, PIC, AVR8, AVR32, Wirkliche SoCs: Spannung anschließen, fertig

6 Mikrocontroller (3) Beispiele für aktuelle Mikrocontroller LPC1768 MSP430F1121 Christian Hochberger, TU Darmstadt 6

7 SoC Komponenten Prozessorkerne Spektrum von 8-Bit, 16-Bit bis 32-Bit Kernen RISC oder (heute selten) CISC Speicher Laufzeitspeicher (DRAM oder SRAM) Programmspeicher (PROM, Flash-EPROM, MRAM, FRAM, ) Peripherie Einfach: Digitale Ein-/Ausgänge, Timer, PWM, Mittel: UART, SPI, I2C, A/D-Wandler Komplex: USB, CAN, LIN, Display, Ethernet, Christian Hochberger, TU Darmstadt 7

MRAM, FRAM, ) Peripherie Einfach: Digitale Ein-/Ausgänge, Timer, PWM, Mittel: UART, SPI,

8 Verletzung des SoC-Prinzips Auch bei modernen Microcontrollern können Systeme aus mehreren Chips bestehen Gründe: Technologie: DRAM-Speicher benötigt, aber nicht mit CMOS Prozess kompatibel DRAM als externen Baustein Exotische Peripherie: Sehr hoch spezialisierte Schnittstellen nicht auf (Massen)-Mikrocontrollern verfügbar Christian Hochberger, TU Darmstadt 8

kompatibel DRAM als externen Baustein Exotische Peripherie: Sehr hoch spezialisierte

9 Pin-Sharing Pins im Gehäuse von Chips sind teuer Mikrocontroller enthalten sehr viele Peripherieeinheiten Folge: Nicht alle Funktionen extern gleichzeitig sichtbar Mehrere Funktionen teilen sich einen Pin Pin Sharing Programmierung von internen Registern legt Verwendung fest Problem: Nicht alle Kombinationen lassen sich nutzen Typische Mehrfachnutzungen: Digitale Ein-/Ausgänge Serielle Schnittstellen Timer A/D-Wandler Christian Hochberger, TU Darmstadt 9

Programmierung von internen Registern legt Verwendung fest Problem: Nicht alle Kombinationen lassen sich nutzen

10 Mikrocontroller Beispiele XIN XOut VCC VSS RST/NMI P1.0 P1.7 Rosc Oscillator System Clock MCLK ACLK SMCLK 2/4kB ROM 4kB OTP 'C': ROM 'P': OTP 128/256B RAM SRAM Power on Reset Outx CCIxA TACLK SMCLK I/O Port 1 8 I/O's, all with interr. capability JTAG CPU Test MAB, 16bit MAB,4bit incl. 16 reg. JTAG MDB, 16bit Bus conv. MCB MDB,8bit TEST/VPP ACLK SMCLK Watchdog Timer 15 / 16 bit Timer_A 3 CC Register: CCR0/1/2 x = 0, 1, 2 TACLK or INCLK Outx CCIxA CCIxB INCLK Out0 CCI0B CCI1B I/O Port 2 6 I/O's, all with interr. capability DCOR ACLK P2.0 P2.5 Christian Hochberger, TU Darmstadt 10

Port 1 8 I/O's, all with interr. capability JTAG CPU Test MAB, 16bit MAB,4bit incl. 16 reg. JTAG MDB, 16bit Bus conv.

11 Mikrocontroller Beispiele (2) XIN XOut XBuf VCC VSS RST/NMI P4.x P2.x P1.x P3.0 P3.7 P0.0 P TDI TDO Oscillator FLL System Clock ACLK MCLK 24kB ROM 32kB ROM 32kB OTP 1024B RAM SRAM Power- on- Reset I/O Port 1x8 I/O's I/O Port 2x8 I/O's I/O Port 8 I/O's, all with interr. cap. 1 Int. Vectors I/O Port 8 I/O's, all with interr. cap. 3 Int. Vectors CPU MAB, 16bit Test UART MAB,4bit MCB TimerA 8bT/C TMS TCK incl. 16 reg. JTAG MDB, 16bit H/W MPY Watchdog Timer 15bit TACLK TimerA 5 CC Reg. TA0..5 Bus conv. UTX URX UCK MDB,8bit USART 8bit Timer/ Counter TXD RXD Timer/Port 6 Appl. s: ADC Basic Timer f LCD LCD 30 Segment Lines 1, 2, 3, 4 Mux Com0..3 S0..28/O S/O 29 TP C_in R03 R23 R13 R33 Christian Hochberger, TU Darmstadt 11

cap. 1 Int. Vectors I/O Port 8 I/O's, all with interr. cap. 3 Int. Vectors CPU MAB, 16bit Test UART MAB,4bit MCB TimerA 8bT/C TMS TCK incl. 16 reg.

12 Mikrocontroller Peripherie Adressierung Übliche Vorgehensweise Jede Peripherie-Komponente belegt einen Teil des Adressraums Adressen dürfen nicht überlappen Adressen werden (meistens) nicht vollständig genutzt Schreiben/Lesen von Registern Speicherzugriff auf entsprechende Adresse Vorsicht bei Daten-Cache! Lese-Zugriffe auf Statusregister dürfen nicht gecached werden 1. Zugriff aus Register, 2. Zugriff aus Cache Keine Statusänderung mehr sichtbar Christian Hochberger, TU Darmstadt 12

Registern Speicherzugriff auf entsprechende Adresse Vorsicht bei Daten-Cache!

13 Nochmal Gründe für SoCs Höhere Zuverlässigkeit... Durch weniger Freiheitsgrade für den Systemdesigner (!) Durch kleiner Bauformen Durch weniger Kontakte (Anzahl der Systemausfälle linear mit Zahl der Kontakte korreliert) Niedrigere Kosten Weniger Aufwand für Systemdesigner Weniger Bauelemente im System Weniger Aufwand bei Produktion Christian Hochberger, TU Darmstadt 13

) Durch kleiner Bauformen Durch weniger Kontakte (Anzahl der Systemausfälle linear mit Zahl

14 Programmierung von SoCs Früher Hauptsächlich Assembler Software wurde durch Hersteller bereitgestellt Selten Echtzeitbetriebssysteme in Nutzung Heute Hauptsächlich C Software-Toolkette vom Hersteller Von Drittanbietern (Greenhills, IAR, Keil, ) Open Source Tools (z.b. Gnu Compiler Collection) Echtzeitbetriebssystem fast nur auf 16/32 Bit Prozessoren, wenn Komplexität hoch genug Christian Hochberger, TU Darmstadt 14

15 SoC-Kit Fertige Mikrocontroller kommen nicht in Frage... Wenn Peripheriewünsche nicht erfüllbar Wenn Speicherausbau nicht verfügbar Wenn spezielle Prozessorkerne gebraucht werden Alternative zu Standard Mikrocontrollern Do-it-yourself SoC Genau maß gefertigt nach den Bedürfnissen der Anwendung Alles neu erfinden? SoC aus vorgefertigten Komponenten zusammenstellen Christian Hochberger, TU Darmstadt 15

Prozessorkerne gebraucht werden Alternative zu Standard Mikrocontrollern Do-it-yourself SoC Genau

16 Applikationsspezifisches SoC - Beispiel Leon II Kern Atmel 0,35µm Prozess Christian Hochberger, TU Darmstadt 16

17 Elemente eine SoC-Kits Baukasten mit HW-Komponenten Prozessorkern (evtl. in verschiedenen Varianten) Interner Speicher Peripheriekomponenten (von digitalen Ein-/Ausgängen bis Ethernet) Infrastrukturkomponenten (Bussystem, Interruptbehandlung, Takterzeugung, Powerdown-Handling) Entwurfssystem mit Benutzerführung Anwender soll möglichst einfach System zusammenstellen können Software-Toolkette Compiler, Assembler, Linker für Prozessorkern(e), Debugger Support-Bibliotheken/Treiber für Peripheriekomponenten Simulator System muss verifiziert werden können, bevor es gebaut wird Christian Hochberger, TU Darmstadt 17

Interruptbehandlung, Takterzeugung, Powerdown-Handling) Entwurfssystem mit Benutzerführung Anwender soll möglichst einfach System zusammenstellen können

18 Elemente eine SoC-Kits (2) Baukasten mit HW-Komponenten Elemente können in verschiedenen Formen vorliegen Fertige Layouts Höchste Performance, niedrigste Flexibilität Fertige Netzlisten Einfach zu integrieren, mittlere Performance Synthetisierbarer HDL-Code Größte Flexibilität (parametrisierbar) Verwendete Form richtet sich nach Zieltechnologie Öffentlichkeit der Komponenten Elemente werden häufig als IP-Cores bezeichnet (Intelectual Property = Geistiges Eigentum) Christian Hochberger, TU Darmstadt 18

HDL-Code Größte Flexibilität (parametrisierbar) Verwendete Form richtet sich nach Zieltechnologie Öffentlichkeit der

19 Elemente eine SoC-Kits (2) Entwurfssystem mit Benutzerführung Zweigeteilte Aufgaben Eingabe der Systemspezifikation Generierung der Ausgangsdaten für die Systemsynthese Möglichst abstrakte Arbeitsweise System sollte ohne Spezialkenntnisse benutzbar sein Anwender soll Anwendungsdomäne kennen Anwender sollte möglichst wenig über Technologie wissen müssen Häufig in Form von Wizard-Anwendungen Stark strukturierter Dialog Automatische Berücksichtigung von Einschränkungen/Konsequenzen Christian Hochberger, TU Darmstadt 19

Anwender soll Anwendungsdomäne kennen Anwender sollte möglichst wenig über Technologie wissen müssen Häufig in Form von

20 JConfig SpartanMC Konfiguration Christian Hochberger, TU Darmstadt 20

21 Toolflow eines Entwicklungswerkzeugs Am Beispiel des SpartanMC Kits JConfig.xml.c system.h.a18 libs.a18 System Builder gcc Assembler.o.o.o Linker Core + system.v script files.ucf BRAM Generator.sph Peripherals Synplify XST.bit Simulator Christian Hochberger, TU Darmstadt 21

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