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手機設計集成的關鍵—IP模塊
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摘要:   模塊化IP結構充分考慮了硬件/軟件設計、軟件應用設計、以及快速原型的需要,因而便于集成和系統的驗證。本文以現成的無線SoC設計(如GSM手機)中增加一個復雜的無線功能,即Bluetooth功能的實例來說明這一原理。Bluetooth實例充分體現確切地定義了硬件與軟件接口模塊化協議的優勢,帶來了諸多靈活性,且可優化每個組件的成本和功率。
Abstract:
Key words :
  模塊化IP結構充分考慮了硬件/軟件設計、軟件應用設計、以及快速原型的需要,因而便于集成和系統的驗證。本文以現成的無線SoC設計(如GSM手機)中增加一個復雜的無線功能,即Bluetooth功能的實例來說明這一原理。Bluetooth實例充分體現確切地定義了硬件與軟件接口模塊化協議的優勢,帶來了諸多靈活性,且可優化每個組件的成本和功率。

  SoC選擇

  目前,市場上有兩類產品;單片IC器件和IP內核,它們在即插即用上是等效的。SoC設計者也有兩種選擇,或連接一個外部IC;或為了降低總系統成本,采用IP內核將Bluetooth功能歸入片內。

  Synopsys Designware Blue IQ 是一個可合成的Bluetooth內核,通過標準4線UART(H4)接口連接至主CPU,例如ARM9嵌入式微處理器,管理上層Bluetooth協議載,另一方面,Bluetooth IP內核通過通用 14引腳“Bluetooth RF”接口連接至RF器件,例如Silicon Wave。

  Bluetooth功能在Bluetooth IP內核是完全自給自足的,它的內部基帶處理器可以主CPU處下載全部實時Bluetooth 工作程序。對SoC軟件組,這類體系結構確保Bluetooth 不會干擾與手機其余部分相關聯的任何定時關鍵的軟件,從而簡化了Bluetooth 功能的集成。

  手機設計

  圖1是2.5G手機(GSH/GRPS/EDGE)的方框圖。一條AMBA總線構成了SoC的骨架,它由高速AHB(高級硬件總線)段和低速APB(高級外設總線)段組成。連接在AMBA結構上有蜂窩分系統以及 RTOS用和控制手機上各種按鍵和顯示屏用低速外設。一個GPS單元也連接在APB上,為手機提供符合新E911/E112要求的位置信息。Bluetooth分系統則是將Bluetooth IP內核連接在APB UART 外設添加到SoC設計的,并由主CPU的Bluetooth 協議棧軟件進行控制。

  從硬件集成觀點,附加Bluetooth分系統就象手機設計增加一個UART一樣簡單。從軟件集成透視,同樣十分簡單。Bluetooth規范清晰地定義了協議棧上級與下級之間的邊界。定時關鍵軟件程序放置在棧的下層,靠近硬件并遠離應用層。上層和下層通過確切定義的API連接的,HCI(主控制器接口)不僅定義了棧上層和下層之間的協議,而且也定義了諸如 UART、RS-323和USB各種標準物理傳輸協議。這種模塊化硬件與軟件方案給SoC設計組帶來了顯著的即插即用好處。

  組建設計組

  圖2表示典型的 SoC設計組,它由下屬三個小組組成,分別承擔不同的工作。 ASIC組負責硬件的實施,在UNIX工作平臺上使用各類工具來生成制作SoC 的最終GDSII文件。軟件組負責在SoC上運行的軟件的實施。設計樣機組使用FPGA樣機平臺(如ARM集成開發系統)將硬件和軟件整合在一起,以便在最終GDSII向代工廠發布前驗證SoC的功能。

  ASIC組向設計樣機組提供手機設計的FPGA文件,在此實例,包括要增加的Bluetooth分系統文件。ASIE組將Bluetooth IP內核配置在手機設計用系統結構(例如語音通道的數量和支持的服務)中,并生成可以下載到Bluetooth開發工具(如:DesignWare BlueIQ Development Kit)的FPGA文件。

  在軟件開發早期階段,ASIC組將Bluetooth RTL代碼集成在ASIC設計中,進行合成和模擬,確保它能正確地連接。

  套裝工具確保設計成功

  在開發階段的早期,軟件組的絕大部分工作是在PC上完成的。如圖2所示,軟件組的工程師們將Bluetooth開發套裝工具連接至PC的串口,在臺式機上精確地執行可設置在最終SoC上的 Bluetooth分系統。該分系統需用到Bluetooth協議棧的上層,以及創建啟用手機Bluetooth功能應用軟件所必需的應用配置文件。

  Mezoe InteRFace Express工具套件是一套實施Bluetooth配置文件的軟件,這一PC基工具可用來生成工作框架應用軟件,任意地組合各類Bluetooth配置文件。得到的軟件奠定了最終嵌入式SoC應用的基礎,讓軟件工程師在PC上充分地設計嵌入式Bluetooth應用的樣機,相對SoC 設計是獨立地進行的,當設計完成并糾錯后,它能重新定位到主CPU并下載到FPGA樣機平臺。

  硬件手機

  在ASIC組和軟件組在各自的環境中開發后,最終的硬件和軟件映象由樣機組傳送至FPGA樣機平臺,在此平臺上整合SoC總體設計。有了完全包含在樣機平臺硬件的完整手機,在設計用磁帶輸出公布前,樣機組使用各種傳統的硬件與軟件糾錯工具來完善并驗證SoC。

  設計潮流向著IP形式的高度模塊化和高度自給自足分系統發展,這種Bluetooth IP和軟件模塊體系結構正處于潮流的前沿。隨著SoC設計規模的日益擴大并開始匯集性能各異又高度復雜的功能,IP公司要對集成進行全方位的預測。他們在規劃產品的體系結構和封裝時,要考慮用戶易于集成,減少風險的要求,只有IP提供商充分了解ASIC設計組的要求,同時也了解軟件開發者的要求以及設計硬件和軟件兩者樣機的要求,IP用戶才能真正領略采用商品化Bluetooth IP產品的好處。

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