在一個(gè)SoC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了硬件結(jié)構(gòu)以外，軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)SoC的性能有很大的影響。

盡管硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無論對(duì)哪個(gè)公司來說都是一種挑戰(zhàn)，卻不能忽略系統(tǒng)級(jí)上的挑戰(zhàn)。

因?yàn)橐粋€(gè)SoC產(chǎn)品不只包括硬件，而是軟件和硬件的結(jié)合。在很多的SoC中，軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和開發(fā)周期都要超過整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)在很大程度上決定了SoC中硬件電路的性能發(fā)揮。

1.數(shù)據(jù)流的路徑

在很多嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流在硬件和軟件中的路徑?jīng)Q定了系統(tǒng)的效率和性能。

數(shù)據(jù)流的路徑通常是從數(shù)據(jù)位通過物理接口流入系統(tǒng)開始的， 并經(jīng)硬件設(shè)備輸入接口流入硬件設(shè)備輸入控制器 。軟件驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)輸入操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后再送入應(yīng)用存儲(chǔ)器空間中。

應(yīng)用程序間的通信直接通過 共享的全局存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù) ，或者 通過操作系統(tǒng)以消息的形式傳送數(shù)據(jù) 。

在輸出端，應(yīng)用通常通過操作系統(tǒng)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序傳送數(shù)據(jù)， 它將數(shù)據(jù)輸入一個(gè)硬件輸出控制器 ， 然后通過操作系統(tǒng)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序傳送數(shù)據(jù) ， 經(jīng)硬件設(shè)備輸出接口傳出 。

2.軟件環(huán)境

SoC芯片中的軟件環(huán)境包括應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)環(huán)境包括應(yīng)用軟件源代碼、編譯器、連接器、開發(fā)界面和硬件調(diào)試接口等。

其中，軟件源代碼位于開發(fā)環(huán)境的最上層，而調(diào)試接口則是環(huán)境中的底層。對(duì)于一個(gè)SoC來說，如果其中的處理器采用MIPS、ARM或Tensilica的處理器時(shí)， SoC上應(yīng)用的開發(fā)者可以從提供商那里獲得開發(fā)環(huán)境，而不用自己去開發(fā) 。

這也是很多的就是解決方案，給你從芯片到帶著小系統(tǒng)的東西。

但即使標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境也從來都不是標(biāo)準(zhǔn)的。為了在新的系統(tǒng)中去實(shí)現(xiàn)包括更多新的功能，在每一個(gè)開發(fā)周期中，需要在開發(fā)環(huán)境中增加各種開發(fā)工具。

SoC中應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境主要由

• 應(yīng)用程序、
• 操作系統(tǒng)核心、
• 各種驅(qū)動(dòng)、
• 芯片本身構(gòu)成。

圖4-13所示為軟件的運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)工具。（對(duì)于一些 不太需要任務(wù)管理、資源管理及進(jìn)程管理的應(yīng)用 ，SoC也往往不會(huì)采用操作系統(tǒng)。想起了當(dāng)時(shí)面試的時(shí)候面試官問我玩過一下操作系統(tǒng)沒，但當(dāng)時(shí)都是玩的裸機(jī)。唯一一個(gè)也是基于協(xié)議棧的東西。）

在應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境的最上層是應(yīng)用程序。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)的各種特定應(yīng)用，如音頻或視頻解碼等。應(yīng)用程序之間可以通過某種標(biāo)準(zhǔn)接口（如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）進(jìn)行通信。相同類型的應(yīng)用可以在這種方式下獲得好處。

在這種消息傳遞中能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的接口，但會(huì)帶來性能的問題 。應(yīng)用程序之間的通信也可以通過操作系統(tǒng)核心以存儲(chǔ)器共享的方式通信來提高速度。比如某一應(yīng)用程序?qū)⒁粔K數(shù)據(jù)放到緩存中，并把指針傳遞給另一個(gè)應(yīng)用軟件，但以這樣的方式交換數(shù)據(jù)往往也會(huì)帶來某些問題。

在應(yīng)用程序的下一層是操作系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)任務(wù)的創(chuàng)建、任務(wù)的調(diào)度和存儲(chǔ)器管理等。

在操作系統(tǒng)的下一層由

• 各種I/O接口（如UART、USB、IDE、WLAN、LCD等）驅(qū)動(dòng)、
• 硬件加速器驅(qū)動(dòng)和
• 其他實(shí)現(xiàn)如異常處理、
• 中斷服務(wù)程序、
• 初始化、
• 復(fù)位及Bootloader等的系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

3.軟硬件接口

在一個(gè)真實(shí)的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還必須考慮到軟硬件接口（Interface）。主要的軟硬件接口有：

• ①存儲(chǔ)空間映射（Memory Map），包括所有設(shè)備的可配置寄存器的地址映射；
• ②設(shè)備驅(qū)動(dòng)；
• ③初始化、復(fù)位、Bootloader程序；
• ④中斷服務(wù)程序及中斷向量；
• ⑤I/O引腳的復(fù)用等。

這些是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須定義好的，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須按照定義做，這樣才能保障系統(tǒng)軟件正常工作。

1.存儲(chǔ)空間映射

通常情況下，SoC中的各個(gè)片上模塊及與之通信的片外設(shè)備，如Flash及Flash控制器的寄存器、RAM及存儲(chǔ)器控制模塊中的寄存器，以及各種外設(shè)等， 均采用統(tǒng)一地址空間進(jìn)行編址訪問，為每一個(gè)設(shè)備分配一定數(shù)量的地址空間的過程稱為存儲(chǔ)空間映射 。圖4-14所示為一款I(lǐng)BM的SoC的存儲(chǔ)空間映射的例子。

圖4-14 基于IBM的PLB和OPB總線協(xié)議的SoC的存儲(chǔ)空間映射實(shí)例

2.設(shè)備驅(qū)動(dòng)

在SoC設(shè)計(jì)中，需要大量投資來開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)（I/O接口驅(qū)動(dòng)、硬件加速器驅(qū)動(dòng)），這是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)的作用是在操作系統(tǒng)內(nèi)核與I/O硬件設(shè)備之間建立連接。

其目的是，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)者而言，這個(gè)接口屏蔽了各類設(shè)備的底層硬件細(xì)節(jié)，使軟件設(shè)計(jì)者可以像處理普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行打開、讀寫、關(guān)閉等操作。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要完成的工作包括：

• 初始化（如設(shè)定傳輸率，定時(shí)器的周期等），
• 中斷服務(wù)處理（如對(duì)硬件中斷的處理），
• 輸入/輸出設(shè)備的接口服務(wù)（如啟動(dòng)和停止定時(shí)器、DMA傳輸?shù)龋?/li>

操作系統(tǒng)提供商通常會(huì)提供常見設(shè)備的驅(qū)動(dòng)包 。這些驅(qū)動(dòng)程序可以作為參考設(shè)計(jì)，而實(shí)際上應(yīng)用開發(fā)者還是需要做出大量修改。參考設(shè)計(jì)畢竟只是參考，最后的產(chǎn)品中很少完全使用參考設(shè)計(jì)。與桌面系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)與接口和應(yīng)用密切相關(guān)，一個(gè)操作系統(tǒng)獲得成功很大程度上取決于各種最新驅(qū)動(dòng)程序的可獲程度。

3.初始化、復(fù)位、Bootloader程序

SoC設(shè)計(jì)中的初始化程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)SoC各個(gè)關(guān)鍵組件的初始化工作。

初始化

這些初始化工作主要包括：

• 初始化CPU內(nèi)部的一些特殊寄存器、
• 初始化Cache參數(shù)、
• 初始化存儲(chǔ)器管理單元MMU（Memory Management Unit）、
• 初始化其他SoC組件（如URAT、Timer等）、
• 初始化設(shè)置中斷向量表等，
• 并開始執(zhí)行應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)。

復(fù)位主要是在上電時(shí)完成處理器、SoC芯片及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位工作。

它使得CPU的指令指針指到某一個(gè)特定的存儲(chǔ)器地址，然后從這個(gè)地址取指并執(zhí)行一系列的復(fù)位中斷服務(wù)程序。

例如，一款I(lǐng)BM公司的PowerPC 405GP處理器在上電復(fù)位時(shí)，將從地址0XFFFFFFFC開始執(zhí)行相關(guān)的程序，而這段程序可能是在通過PCI連接的存儲(chǔ)器上。

復(fù)位

復(fù)位主要是在上電時(shí)完成處理器、SoC芯片及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位工作。它使得CPU的指令指針指到某一個(gè)特定的存儲(chǔ)器地址，然后從這個(gè)地址取指并執(zhí)行一系列的復(fù)位中斷服務(wù)程序。

例如，一款I(lǐng)BM公司的PowerPC 405GP處理器在上電復(fù)位時(shí)，將從地址0XFFFFFFFC開始執(zhí)行相關(guān)的程序，而這段程序可能是在通過PCI連接的存儲(chǔ)器上。

Bootloader

Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一小段程序。

通過這部分程序，設(shè)計(jì)者可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。

Bootloader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象加載到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

Bootloader是基于特定硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，因此，幾乎不可能為所有的SoC建立一個(gè)通用的Bootloader。Bootloader不但依賴于處理器的體系結(jié)構(gòu)，還依賴于SoC中各設(shè)備模塊的配置。

因此一般交付的時(shí)候芯片廠商會(huì)將芯片和Bootlloader一起交付，同時(shí)一些安全的啟動(dòng)方案就在這個(gè)地方會(huì)出現(xiàn)。

4.中斷服務(wù)程序及中斷向量

當(dāng)處理器正在處理內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)，外界發(fā)生了緊急情況，要求處理器暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)去處理這個(gè)緊急事件。

處理完畢后，再回到原來被中斷的地址，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷，而對(duì)于緊急事件的處理程序稱為中斷服務(wù)程序。

各類中斷服務(wù)程序的入口地址均存放在中斷向量表中。

5.I/O引腳的復(fù)用

I/O引腳的數(shù)量將影響到芯片乃至系統(tǒng)板的面積。 通常為了減小面積會(huì)將兩個(gè)或兩個(gè)以上不在同一個(gè)時(shí)間使用的不同功能的I/O引腳進(jìn)行復(fù)用。

例如，用在測(cè)試時(shí)的掃描鏈信號(hào)引腳與正常使用時(shí)的UART模塊的引腳復(fù)用。

6.模型

為了能及時(shí)開發(fā)出目標(biāo)系統(tǒng)所需要的軟件，在SoC芯片能夠獲得之前，需要有一種SoC模型來開發(fā)和運(yùn)行軟件。

以前， SoC模型通常是基于FPGA的 。隨著電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的發(fā)展，一種虛擬的仿真模型出現(xiàn)了。仿真模型的速度雖然相對(duì)實(shí)際芯片要慢一些，但可以更早地展開軟件的開發(fā)，而且隨著服務(wù)器等處理速度的提高，相對(duì)來說提高了仿真模型的速度。

這里也就是原型驗(yàn)證的意義所在。

隨著SoC設(shè)計(jì)中越來越多地使用多核，軟件開發(fā)環(huán)境需要為應(yīng)用開發(fā)者提供新的編程模型。

比如，在每一個(gè)獨(dú)立的處理器上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，這樣可以為應(yīng)用開發(fā)者提供相當(dāng)?shù)撵`活性。但應(yīng)用開發(fā)者要面臨著協(xié)同這些處理器中的所有任務(wù)的問題。

而更加普遍的做法或許是，為開發(fā)者提供一個(gè)多處理器多線程的開發(fā)模型，每一個(gè)線程映射到不同的獨(dú)立處理器上。

這種模型限制了對(duì)每個(gè)處理器的訪問，卻降低了在應(yīng)用層可能發(fā)生的同步問題。

這些編程模型只是為處理器提供通用的開發(fā)環(huán)境，而實(shí)際的芯片是一個(gè)更大并包括復(fù)雜通信的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)需要在開發(fā)環(huán)境中被建模。

軟件的復(fù)雜性正在不斷地增長，并且軟件通常能夠更好地處理復(fù)雜性的問題。軟件系統(tǒng)的功能和復(fù)雜性的進(jìn)一步發(fā)展也使得SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)的極限得以擴(kuò)展。