高性能低功耗的SOC平台体系结构

摘要： 本文描述了SOC平台体系结构之低功耗高性能的数字信号处理的应用。这个平台是基于AMBA SOC总线协议，它结合了新颖的互连规范，为了能让高性能的DSP IP核集成到SOC平台中，这个规范运用了AMBA中的多层次总线。本文描述了SOC平台体系和集成规范，最后列出了平台中主要模块的使用和能量的消耗。 关键词： 低功耗，高性能，片上系统，高级微控制器总线构架，数字信号处理 Abstract: This paper describes a System-on-Chip platform architecture for low power high performance Digital Signal Processing intensive applications. The platform is based on the AMBA SoC bus protocol and incorporates a novel interfacing scheme which utilises the bus hierarchy within AMBA in order to allow single and multiple high performance DSP Intellectual Property cores to be integrated to the SoC platform. The paper describes the overall SoC platform architecture and the integration scheme, and an SOC generic wrapper which allows multiple low power high performance DSPs to be connected to the platform. Initial results are provided with a low power FIR filter core demonstrating impact of power on various section of the platform. Key words: Low power, High Performance, System-on-Chip, AMBA, DSP 0 引言 　　今天的SOC设备主要立志于复杂的多媒体应用，为了完成大量的不同数据的处理，比如视、听等任务，就必须大幅度提高数字信号处理的计算能力。为了完成这些任务，就必须运用不同的DSP IP核。为了保持它的高性能和满足用户不断提高的要求，高性能的IP核可以与上述的平台集成到一个芯片上。 　　AMBA总线是一个多总线系统，该总线规范是个开放标准，规范定义了三种可以组合使用的不同类型的总线：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）。 　　其中高性能系统总线（AHB或ASB）主要用以满足CPU和存储器之间的带宽的要求。CPU、片内存储器和DMA设备等高速设备连接在其上，而系统的大部分低速外设则连接在低带宽总线APB上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器（AHB/ASB－APB－Bridge）进行连接。 　　AMBA的AHB适用于高性能和高频率的系统模块。它作为高性能系统的骨干总线，主要用于连接高性能和高吞吐量设备之间的连接，如CPU、片上存储器、DMA设备和DSP或其他协处理器等。 　　AMBA的ASB适用于高性能的系统模块。在不必要适用AHB的高速特性的场合，可选择ASB作为系统总线。它同样支持处理器、片上存储器和片外处理器接口与低功耗外部宏单元之间的连接。其主要特性与AHB类似，主要不同点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。 　　AMBA的APB适用于低功耗的外部设备，它已经过优化，以减少功耗和对外设接口的复杂度；它可连接在两种系统总线上。 　　多总线系统相对于单总线系统更适合于低功耗，高速度场合，例如标准片上总线PI-Bus[7]或者是CSI-Bus[8]。连接在总线上的模块越多速度就越慢，那么总线的延迟也就越长。有些模块需要高带宽来进行彼此间的数据交换，这些模块应该归为一组，而相互间通信较少的模块应该硬性的束在一起，这样就可以降低那些连接低带宽模块总线的功耗。 1 接口策略 　　把DSP核嵌入向 LEON这样的处理器有两种方法： 　　（1）把DSP核作为一个协处理器，这样LEON处理器就可以和DSP核进行高速的传输，在LEON处理器和DSP协处理器之间可以进行并行处理，更加提高了它的性能，但是，这项技术也有其不利的地方。LEON处理器只能支持一个协处理器，不能再支持其他的协处理器了，除此之外，它还需要自己独立的协处理器的指令，更重要的是，想要在LEON处理器中使用外设需要所有的数据都通过整数单元，这会产生大量的冗余，因此，不主张用这种接口策略。 　　（2）DSP核可以通过片上的AMBA总线集成到LEON处理器上，而AMBA接口得有一个协议，来让DSP核与AMBA进行握手。DSP核之间以及与设备之间在AMBA总线上的通信如图1所示。这个接口策略有很多优势。它可以允许计算机中接入DSP核。增添新的DSP核或者修改已经存在的DSP核要比以上的方法简单的多。用AMBA标准使得外设在使用的时候简单很多。因此该接口策略在AMBA的发展中起到至关重要的作用。 图1.SOC平台体系的模块图 P1. The Block Diagram of SOC Platform Architecture 2 平台体系 　　SOC的整个平台体系结构如图1所示。整个体系是建立在LEON处理器上的，同时也包含了一些高性能的DSP IP核。LEON是一个可合成VHDL模型的32位的可兼容的处理器，之所以选择LEON处理器是因为它的高级体系结构。比如说，AMBA的AHB和AHP片上总线允许添加额外的模块，同时，门控时钟系统可以使之处于低功耗模式下，以减少能量的消耗。以上所有的因素都使LEON处理器适合这项工作。 LEON处理器是通过AHB和APB与AMBA接口相连的。在LEON处理器中，AHB是供高时钟频率系统模式和高带宽存储设备使用的，而APB适合于低功耗和窄带宽的设备。LEON处理器发送和接收的任何数据都需要通过这些总线。AMBA总线的作用类似于一个中介，它监督着AHB和APB总线在任何处理中都关注被选的DSP IP上。一旦需要一个读或写操作，那么AMBA接口将分别的装载或保存到DSP IP中。DSP IP接收、处理这个输入数据，并输出结果。因此，AMBA传输协议对于DSP IP核来说是透明的。同样的，DSP IP的时钟实际上也是由AMBA接口来控制的，是节能的。 3 AMBA接口 　　AMBA接口是作为AHB和APB设备来执行的。输入数据到接口中必须通过AHB，而从接口中输出数据必须通过AHB或APB，如图2所示。 图2.AMBA接口的模块图 P2.The Block Diagram of AMBA Interface 　　AMBA接口能够支持多于一个的核，更能够控制核之间的数据的输入和输出。所以，一个AMBA接口能够连接几个核，并且为每个高速传输的DSP核分配一些独立的AMBA接口。 4 低功耗的时钟系统 　　门控时钟通常被应用于有选择地对不在使用状态下的某些设计部分的时钟禁用。FSM（Finite State Machine）被划分为几个子FSM，这些子FSM在必要的时候会被计时。在本文中，基于AMBA的低功耗时钟系统是为减少AMBA接口中的转换活动和连接DSP IP核而设计的，这个时钟系统是一个三级时钟系统，在这个系统中，当需要的时候相关的模块将被计时。AMBA接口先被划分为4个模块，如图3所示。它们是： （1） AHB地址和控制译码器 （2） AHB数据FSM （3） APB地址和控制译码器 （4） 时钟控制器 图3. 2个DSP IP的AMBA接口 P3. Tow DSP IP AMBA Interface 　　AHB地址和控制译码器将把所有来自LEON处理器的地址和控制信号都进行译码，然后发送信号到AHB FSM来为下一个时钟周期说明下一个状态。由于总线通道的地址和数据都是重叠的，因此高性能的操作是有可能的，被译码的地址通过发送信号到时钟控制器能够使译码器来决定是否对FSM进行计时和是否连接核。 　　AHB FSM对由AHB地址和控制译码器所发送出的信号作出响应，然后经过AHB写数据总线发送到被选中的DSP IP核的输入处，或者把数据从被选中核的输出发送回AHB读数据总线。这个AHB FSM是基于来自时钟控制器的门控时钟信号的。 　　APB地址和控制译码器对来自APB桥接器的地址和控制信号进行译码。它仅仅会响应读操作而写操作将被忽略。在一个写操作期间，从被选的核中输出的数据将被送回APB读数据总线，然后再传回到APB桥。因为译码器仅仅能够控制从核输出的数据，所以FSM在这里是没有必要的。 　　时钟控制器将决定是否对来自AHB或APB地址和控制译码器的核进行计时。一个AHB读或写操作将触发AHB地址和控制译码器发送信号到时钟控制器，来显示哪个DSP IP核将被计时。同时，一个APB读操作将触发APB地址和控制译码器来发送信号到时钟控制器，以对选中的核进行计时。 5 结论 　　整个系统是通过RTL级仿真的。系统的部分时序图如图4所示。鉴于AHB的通道状态，根据给出的地址，数据在下一个时钟周期到达，因此，它给AHB地址和控制译码器一个时钟周期的时间来决定下一个时钟周期的操作和对相关的DSP IP核进行计时。 图4.从LEON处理器到AMBA接口的数据传输的时序图 P4.Trasfer Data Timing Diagram From LEON Processor to AMBA Interface 　　如图4所示，地址0xA3000000表示在下一个时钟周期，数据0x000042DE从AHB写数据总线传送到DSP IP的输入端。AHB的地址和控制译码器对AHB FSM计时两次，第一次是装载FSM的下一个状态，而第二次是从下一个状态过渡到现在的状态。同时，为了把已选的DSP IP核装载数据到它的输入处，AHB或APB地址和控制译码器发送信号到时钟控制器。 　　系统主要模块的能量分配如图5所示，很明显，绝大部分的能量都被LEON处理器所消耗，存储器和计时器等也是消耗能量比较多的模块<