一、SoC 架構(gòu)圖：核心功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)

SoC 是基于通用處理器這樣的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，與 PC 設(shè)計(jì)思路一樣。即通用處理器是由 CORE + MEM 兩部分組成，修改軟件來實(shí)現(xiàn)不同的功能，電腦還是同一個(gè)電腦，硬件組成還都是一樣的。 SoC 架構(gòu)圖四大組成部分：

1、核 CORE

2、存儲(chǔ) MEM

3、外設(shè) IO

4、總線 BUS

SoC 總的架構(gòu)圖如下:

1.1、SoC - 核 CORE對(duì)于核來講，現(xiàn)在主流的核有三類：

x86 為代表，公司有 AMD 和 INTEL，PC 和 Server 用這類核比較多。

ARM-M 系列：低端，常用在微控制場景，如 MCU

ARM-R 系列：中端，常用在實(shí)時(shí)場景，如醫(yī)療器械，路由交換機(jī)

ARM-A 系列：高端，常用在高端應(yīng)用場景，如手機(jī)芯片

ARM 為代表，手機(jī)芯片、嵌入式系統(tǒng)等用這類核比較多。

CISC（Complex Instruction Set Computer - 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）

RISC（Reduced Instruction Set Computing - 精簡指令集計(jì)算機(jī)）

基于 ARM 和 x86 之間，可以進(jìn)行靈活的切換和組裝

暫沒有成熟的商用體系，沒有生態(tài)支撐

RISC-V（開源）

架構(gòu)圖，左上角為 SoC 系統(tǒng)的核，此處使用的是 ARM 公司的 Cortex-M3/M4 內(nèi)核。

同時(shí)，I-Code 表示指令代碼，D-Code 表示數(shù)據(jù)代碼。JTAG 用來調(diào)試芯片，下載調(diào)試程序使用。

注：I-Code、D-Code 即 I-Cache、D-Cache，這個(gè)可選的，并不是每個(gè) SoC 都會(huì)用到，需要根據(jù)實(shí)際芯片的規(guī)模和需求！

1.2、SoC - 存儲(chǔ) MEM架構(gòu)圖，中間部分為 SoC 系統(tǒng)的存儲(chǔ)，此處包含 PFlash 和 SRAM 兩種。

如果 PFlash 不夠用，可以外擴(kuò) Flash，如NFC（Nand Flash Controller）

SRAM 是靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static Random Acess Memory），與之相對(duì)的還有一種是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic Random Acess Memory）。DRAM 需要不斷的刷新才能保持住數(shù)據(jù)，SRAM 是不需要刷新的！

DRAM 的密度很高，所以當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量很大的時(shí)候組出來的 Memory 面積就會(huì)小一些！SRAM 通常用在小的 SoC 中！

如果 SRAM 不夠用，可以外擴(kuò) SRAM，比如上圖中的Ext_SRAM

PFlash（硬盤）中的數(shù)據(jù)掉電不丟失

SRAM（內(nèi)存）中的數(shù)據(jù)掉電丟

即 BootLoader 放在 PFlash 中，一上電便會(huì)將其 load 至 SRAM 中，CPU 來 SRAM 取指來執(zhí)行我們的程序！

core 上電后，會(huì)到 PFlash 中取它的指令，來讀取系統(tǒng)要運(yùn)行的 “軟件”（代碼），在 PFlash 啟動(dòng)之后，把所需的軟件下載至 SRAM 中，最終在 SRAM 里運(yùn)行 “軟件”。

SRAM 存儲(chǔ)速率較 PFlash 速率快，故上電跑的程序是放在 SRAM 中，啟動(dòng)程序以及不需要的數(shù)據(jù)會(huì)存在 PFlash 中。

1.3、SoC - 外設(shè) IO外設(shè) IO 分為兩部分：

一個(gè)是高速外設(shè) IO（AHB 100MHz）：DMA、Ext_SRAM Controller、SD_Memory、SD_Host

一個(gè)是低速外設(shè) IO（APB 50MHz）：SPI、UART、GPIO、I2C

1.3.1、 DMADMA（Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問），使用場景如下：當(dāng) CPU 需要搬移 SRAM 中的大量數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)如果使用 CPU 搬移，則會(huì)先將 SRAM 中的數(shù)據(jù)搬移至 CPU 的寄存器中，然后再取指令寫操作等方式搬移至目的地。該方法效率較低，且占用了 CPU 的寶貴處理時(shí)間。此時(shí)就有了 DMA 的登場，CPU 只需告訴 DMA 引擎，你需要從哪個(gè)地址搬移多少個(gè)數(shù)據(jù)到哪個(gè)地址，這樣 DMA 就自己聽話地去工作了，不再需要 CPU 的參與，減輕 CPU 的負(fù)荷。 DMA 對(duì)外沒有接口，這個(gè)也可以從架構(gòu)圖中看出。

1.3.2、 Ext_SRAM Controller、SD_Memory 與 SD_HostExt_SRAM Controller：通常是 SRAM 大小不夠時(shí)，用作擴(kuò)展使用。 通常 SD_Memory 連接一個(gè)諸如 Camera 的設(shè)備，將拍到的照片數(shù)據(jù)通過 SD_Memory 接口存儲(chǔ)到 SRAM 中，然后 SD_Host 接口將 SRAM 中的數(shù)據(jù)保存至 SD Card 中，取出 SD 卡插入 PC，就可以看到讀取的照片了！

1.3.3、典型低速外設(shè)典型的 3 個(gè)低速外設(shè)接口：I2C、UART、SPI，差異如下：

UART 常用于長距離傳輸，但是速率較低。

I2C 比 UART 速率快，但是速率不會(huì)太長；且 I2C 在短距離傳輸時(shí)，可以接多個(gè) Slave。UART 是點(diǎn)點(diǎn)通信，1 個(gè) UART 接口只能接 1 個(gè) UART Slave。1 個(gè) I2C Master 接口，可以接多個(gè) I2C Slave；

SPI 相較于 UART 和 I2C 速度會(huì)更高；1 個(gè) SPI Master 接口，可以接多個(gè) SPI Slave；SPI 占用的 IO 數(shù)也較 I2C 多！

外設(shè)與 CPU 進(jìn)行通信，有兩種方式：

CPU 來查詢我們的狀態(tài)

直接給 CPU 發(fā)送中斷，CPU 收到中斷后會(huì)去處理中斷程序

BootLoader 程序和中斷程序是事先寫好的程序，放到 FLASH 中，一旦啟動(dòng)后便會(huì)將其 LOAD 至 SRAM 中！一旦發(fā)生某個(gè)中斷，便會(huì)根據(jù)中斷向量號(hào)去查詢中斷程序去執(zhí)行它。（了解即可）

注：主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)我們稱之為 master；被動(dòng)接受數(shù)據(jù)我們稱之為 slave。

1.3.4、內(nèi)部組件WDT：看門狗。我們的內(nèi)核每隔一段時(shí)間喂一次狗，如果內(nèi)核掛掉，看門狗溢出會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，告訴外界，芯片已經(jīng)掛死，需要處理。 Timerx：硬件計(jì)數(shù)器。CPU計(jì)數(shù)精讀低，通常是 us 級(jí)，很難達(dá)到 ns 級(jí)。而我們的硬件計(jì)數(shù)器精度可以達(dá)到 ns 級(jí)別；另外，硬件計(jì)數(shù)，可以減小 CPU 的開銷。 ICT：指令的計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)用的！

1.3.5、剩余組件左下角是系統(tǒng)控制器和一些模擬組件：

System Controller：系統(tǒng)控制器

POR：Power On Reset，上電復(fù)位（模擬 IP）

OSC：Oscillator，晶振

PLL：Phase Locked Loop，鎖相環(huán)

VBG：電源管理

VR：Voltage Regulater，電壓調(diào)節(jié)器

上述講的 IO 小模塊，以及本節(jié)介紹的模擬組件，我們一般都稱之為IP。

1.4、SoC - 總線 BUS將上述介紹的 IP 進(jìn)行互聯(lián)的線，我們將其稱之為總線。這里使用的是 AMBA 2.0 總線，包括 AHB、APB 兩部分。

1.5、其他模塊

1.5.1、MemBistMemBist 主要針對(duì) Memory，如 SRAM。在制造過程中，可能會(huì)存在缺陷，當(dāng)芯片回來之后，我們要進(jìn)行一些制造型測試！MemBist 是進(jìn)行內(nèi)建自測試！ 這種內(nèi)建自測試與其他 IP 外設(shè)測試不一樣，其他 IP 外設(shè)測試通常是通過 GPIO 灌激勵(lì)，然后將經(jīng)過這些邏輯之后的激勵(lì)通過另外一些 GPIO 引出，然后去對(duì)比 Partner。而內(nèi)建自測試是我這個(gè)測試，對(duì) SRAM 的測試不需要通過外部的管腳，在 SRAM 外部會(huì)包一層 Bist 邏輯，然后相當(dāng)于在內(nèi)部觸發(fā)一個(gè)使能信號(hào)，然后它就可以往 SRAM 中灌各種激勵(lì)，然后把經(jīng)過邏輯之后的激勵(lì)輸出，就可以完成這樣一個(gè)內(nèi)建自測試。這就是 MemBist 的功能。

1.5.1、Spare CellsSpare Cells 主要是放在頂層，用于芯片后期，在投片時(shí)忽然發(fā)現(xiàn)有 BUG，這時(shí)候要做一個(gè)叫 ECO（Engineering Change Order，手動(dòng)修改集成電路的過程）的東西，這個(gè)時(shí)候就可能會(huì)涉及到一些 cell 的替換，如果之前已經(jīng)放了 Spare Cells 的話，就可以直接用 Spare Cells，不需要再重新增加 cell。如果增加 cells，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè) Die 的面積放不下！所以相當(dāng)于是提前預(yù)留放了一些為我們做 ECO 準(zhǔn)備的 Spare Cells，把面積在那占著，這樣的話，整個(gè) FloorPlan 就不用了動(dòng)了！Cell 在那放著，盡可能最小的去影響我們最終的 FloorPlan。

1.5.1、IO MUX管腳復(fù)用，類比 STM32。

1.6、SoC IP

二、SoC 架構(gòu)圖：簡述 SoC 的功能及應(yīng)用場景

這種應(yīng)用在記者、攝影愛好者，數(shù)碼相機(jī)愛好者等有應(yīng)用需求。當(dāng)把數(shù)碼相機(jī)中的圖片下載到手機(jī)上后，可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，上傳至社交媒體；現(xiàn)場記者，則可以通過將照片及時(shí)發(fā)送給電視臺(tái)、媒體等提供及時(shí)的照片素材。

無線通信功能是通過 APB 總線上的 SPI 接口外接一個(gè) WIFI 芯片，實(shí)現(xiàn)無線通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能主要是 NandFlash 控制器，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。但是該芯片采用了替換方案，使用了 SD-Host 接口，外接 SD Card 的方式進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

典型的應(yīng)用場景是：數(shù)碼相機(jī)拍照時(shí)，將照片通過 SD-Memory 控制器接口，放入 SRAM 暫存，最后通過 SD Host 接口，將照片存儲(chǔ)到外接的 SD memory 卡中，然后手機(jī) / PC 端用戶，可以連接到 WiFi 上，通過手機(jī) / PC 下載 SD Card 中存放的視頻到手機(jī) / PC。

該芯片是一個(gè) SoC 芯片，主要功能是無線通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，主要的應(yīng)用場景是數(shù)據(jù)相機(jī)的存儲(chǔ)卡。

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，尤其是高清攝像頭的發(fā)展，這種無線存儲(chǔ)芯片方案的應(yīng)用場景在萎縮。

2.1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的數(shù)據(jù)流向示意圖（以 DMA 搬移 SRAM 數(shù)據(jù)為例）：數(shù)據(jù)流按照箭頭，依次是：紅 -> 綠 -> 藍(lán)。（下圖標(biāo)號(hào)所在位置是該顏色起始位置）

問：為什么不直接從 Camera -> SD Card？如下圖：

答：數(shù)據(jù)通路是可以通的，但是 Camera 發(fā)送數(shù)據(jù)的速率與 SD Card 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速率，這兩個(gè)并不一定是完全一樣的，這樣就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。將數(shù)據(jù)存入 SRAM，相當(dāng)于起一個(gè)緩沖的作用！這樣我數(shù)據(jù)存進(jìn)來之后，是存至 SD Card 還是通過 WiFi 進(jìn)行無線傳輸，都可以通過 CPU 進(jìn)行靈活控制！

2.2、無線傳輸 數(shù)據(jù)流無線傳輸功能的數(shù)據(jù)流向示意圖（以 DMA 搬移 SRAM 數(shù)據(jù)為例）：數(shù)據(jù)流按照箭頭，依次是：紅 -> 藍(lán) -> 棕。（下圖標(biāo)號(hào)所在位置是該顏色起始位置）

2.3、關(guān)于 Master 和 Slave

CPU 通常是一個(gè) Master，數(shù)據(jù)的發(fā)起者；

存儲(chǔ)系統(tǒng)（PFlash、SRAM）是一個(gè) Slave，被動(dòng)的接收別人發(fā)過來的命令，要來讀哪個(gè)地址的數(shù)據(jù)了；

兩個(gè) AHB 高速外設(shè)：SD_Memeory 和 SD_Host。既有 Master 口，又有 Slave 口。SD_Memory 模塊工作時(shí)，數(shù)據(jù)是通過 Master 口進(jìn)行傳輸，Slave 口更多指的是 CPU 對(duì)其進(jìn)行一些配置（IP 可以工作在多種模式，控制信號(hào)可以通過 Slave 口對(duì)其進(jìn)行配置）；SD_Host 模塊同理。

慢速外設(shè)：SPI/UART/GPIO/I2C/Timer/WDT/ICT 等，都是 Slave 口，是 CPU 來告訴他們要傳什么數(shù)據(jù)出去（CPU 對(duì)其進(jìn)行配置）。

三、SoC 架構(gòu)圖：IP 總線地址映射基地址：Base Address偏移地址：Offset Address

注：基地址 + 偏移地址 可類比 區(qū)號(hào) + 號(hào)碼。低 16 位是偏移地址，高 16 位是基地址。

每一次的訪問都是基于地址空間進(jìn)行訪問的，所以會(huì)把每一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，劃分成為一個(gè)地址空間。 各個(gè)外設(shè)地址如下表：

軟件工程師寫模塊時(shí)，通常只關(guān)注偏移地址！

一般一個(gè)地址空間可以存儲(chǔ) 8bit 數(shù)據(jù)，故上述單位是KB

四、SoC 架構(gòu)圖：Pin-MUX & PAD

①、PAD 本身就挺大的，PAD 過多，很占邊長，造成規(guī)劃的 Die 放不下。【芯片外圍邊長留足夠的余量】

②、PAD 本身是模擬器件，PAD 過多，會(huì)增加功耗！【總體功耗也會(huì)有收益】

PAD：芯片與外部通信的一個(gè)接口

PIN-MUX：主要用來減少 PAD 數(shù)目，為什么要減少 PAD？

上圖展示的三種數(shù)字PAD，從上到下分別是：Input Only、Output Only、Bidirection 三種。工程上通常上都是 Bidirection ，使用的時(shí)候直接控制 EN 信號(hào)，來使其輸入或輸出！

模擬 PAD：如 LVDS；

VR（電壓調(diào)節(jié)器） PAD

五、SoC 架構(gòu)圖：版圖布局 Floorplan

注：版圖布局 Floorplan 布局可類比 PCB 的布局！

Floorplan 中可以看到的是各個(gè) Cell（數(shù)字電路）和各個(gè) IP（模擬電路）。

模擬IP （MEM/FLASH）放到靠近 DIE 的邊角上，提高空間利用率

DIE 的內(nèi)部會(huì)放數(shù)字邏輯

這樣的放置原則是為了提高整個(gè)空間的利用率！MEM 這個(gè)模擬 IP，可以認(rèn)為是一個(gè)硬核，如果它放中間，那么周圍的繞線就會(huì)很麻煩。如果是數(shù)字的話，那就是各個(gè)離散的 Cell，走線容易，空間利用率高！

六、SoC 架構(gòu)圖：版圖 layout - GDSII

注：版圖 layout 可類比 PCB 的布線！

下面的版圖 layout 中，中間紫色部分的就是對(duì)應(yīng) Floorplan 中標(biāo)注的數(shù)字邏輯部分，周圍靠近 Die 的就是模擬 IP！

工藝水平：110nm e-flash

DIE 大小：3mm x 4mm = 12 mm^2

晶圓 wafer 大小：8 英寸，可以生成 3600 片 DIE（3mm x 4mm），1 個(gè) wafer 的制造成本在 1000 美金。

良率（yield）【wafer 中有多少個(gè) DIE 是可用的】：＞95%（通過 ATE 去篩選不能用的 DIE）

六、SoC 架構(gòu)圖：Pin & 電源電壓下圖為外圍的原理圖，從中可以看到管腳分布和電壓域劃分。

電壓域的劃分工作通常由架構(gòu)師完成，前端人員是接觸不到這個(gè)東西的！

電壓域通常可劃分為：數(shù)字電壓域（CORE、IO）、模擬電壓域（不同模擬 IP，不同的電壓）

七、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)（SoC Design Node）芯片的誕生，從前期到后期的整個(gè)流程：

①、進(jìn)行市場調(diào)研，有沒有市場需求，具不具備很好的商業(yè)價(jià)值，做芯片很燒錢，1 個(gè) wafer1w 美金，還要買一些 IP 等都要花錢！做出來之后能否賺錢，有沒有人買單，這個(gè)很重要！

②、根據(jù)市場需求，算法團(tuán)隊(duì)根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，做一個(gè)算法模型，算法可以實(shí)現(xiàn)（仿真成功），可以達(dá)到市場需求，則進(jìn)行下一步。

③、進(jìn)行芯片的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：軟硬件劃分（哪些部分用軟件實(shí)現(xiàn)，哪些部分用硬件實(shí)現(xiàn)）、硬件上劃分多少個(gè)模塊等，編寫架構(gòu)文檔（AS，Architecture Specification），架構(gòu)也分為好多層次，比如系統(tǒng)級(jí)，電路級(jí)等。接下來還有編寫一個(gè)設(shè)計(jì)文檔（DS，Design Specification）

④、編寫 RTL 代碼，進(jìn)行功能驗(yàn)證（EDA 仿真驗(yàn)證、FPGA 原型驗(yàn)證）和代碼復(fù)查

⑤、通過綜合工具，將其轉(zhuǎn)化為 Netlist，即將 RTL 代碼映射（MAP）成門級(jí)網(wǎng)表（STD CELL），同時(shí)進(jìn)行形式驗(yàn)證（RTL 邏輯功能和 Netlist 的邏輯功能對(duì)比，看看綜合工具是否把 RTL 某些功能給優(yōu)化掉），時(shí)序驗(yàn)證（實(shí)現(xiàn) Netlist 后，timing setup 能否滿足）

⑥、接下來進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)，GDSII 也是一個(gè)網(wǎng)表，只不過是包含了器件位置信息的網(wǎng)表。Netlist 僅僅只是邏輯信息。然后進(jìn)行一些后仿真和簽收復(fù)查。

⑦、投片，在 wafer 上生成我們的芯片。生產(chǎn)過程有沒有問題，通過 ATE 測試，ATE 測試的 partner 是在前面做 RTL 時(shí)的 DFx 做的，Membist，Scan 掃描，都是在前期做好的設(shè)計(jì)，芯片回來之后，會(huì)把這些電路啟動(dòng)，進(jìn)行 ATE 測試！測芯片本身，有沒有制造功能的問題！

⑧、最后進(jìn)行應(yīng)用測試，即功能測試。投放市場。

從上圖看出

①、芯片的實(shí)現(xiàn)是需要很多的團(tuán)隊(duì)，很多個(gè)環(huán)節(jié)，一步步實(shí)現(xiàn)的。

②、每一個(gè)環(huán)節(jié)的交付件（交付標(biāo)準(zhǔn)）是變化的，每一步都是需要有不同的方法驗(yàn)證。做 IC 驗(yàn)證，主要進(jìn)行 RTL 的功能驗(yàn)證，要明確從事的工作在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中的位置！

參考文獻(xiàn)

芯片測試術(shù)語 ，片內(nèi)測試 (BIST)，ATE 測試