x86构架的SoC及STPC的一种应用
摘要：讲述x86构架的SoC的发展及近况，并描述一种基于STPC-Industrial芯片的网络终端设备的设计与实现。这种网络终端设备具有体积小、结构简单、功能强、软件适应性强的特点。 关键词：SoC STPC DoC 新世纪电子工程师们面临的一个重要课题就是如何面对国民经济和社会生活的信息化挑战。以网络通信、软件和微电子为主要标志的信息产业的飞速发展，既为我们提供了一个前所未有的发展机遇，也营造了一个难得的市场与产业环境。随着电子工业中深亚微米、超深亚微米技术的突破，以往电子工程师们擅长的电路设备正在一步步被IC设计所取代。也正是由于这种小型化的趋势，使得SoC(System on Chip)成为超大规模集成电路(VLSI)的发展趋势和新世界集成电路的主流。 1 x86构架的SoC 对于计算机的核心—CPU来说，从应用的角度可将其分为主要的三类：x86 CPU、嵌入式CPU和其它高性能CPU。x86 CPU是指PC用的CPU，即x86体系结构的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD和威盛(Cyrix)等公司与其兼容的CPU;嵌入式 CPU是指应用了各种小型、专用信息设备里的CPU，主要是以低价格、低功耗为特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU;其它高性能CPU是指用于于服务器和超级计算机中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人们常说的“通用CPU”，一般是指x86 CPU。上述所谓“通用”或“专用”的分类都是不大严格的，例如ARM公司的CPU是“嵌入式CPU”，但它也非常通用;x86 CPU是“通用CPU”，但它也可以用在嵌入式设备上，而且现在x86 CPU的性能很高，在服务器上也有广泛的应用。所以，这些分类都是相对的，只是在一定程序上反映这些CPU的特性。 SoC的出现，尤其是x86构架的SoC扩展了嵌入式系统应用领域，同时也推出了嵌入式操作系统和嵌入式软件的发展，使得消费类电子产品的应用领域更加宽广。实际上，目前SoC已经成为整个IC技术发展的一个主要方向。现在，大家都在谈论全球 PC市场发展速度的趋势、谈论所谓的“后PC时代”、谈论信息家电。尽管2001年全球半导体产值将衰退20%以上，是半导体产业有史以来最大幅度的负增长，不过SoC技术的应用却是有增无减。2000年约有40%的ASIC设计使用SoC技术，2001年有60%以上的ASIC设计使用SoC技术，显然这并不是一个终结数字。 图1 总体框图 2 STPC 意法半导体公司(STMicroelectronics，简称ST)是最早充分认识到SoC技术对消费电子业意义的芯片制造厂商之一。正是由于ST具有敏锐的洞察力，当然不会放过兼容Intel x86 CPU的SoC市场。1995年，当ST的新风险组织(NVG)意识到越来越多的嵌入式应用需要构建PC结构的平台，而ST也有能力和技术在单一芯片为用户提供这样的一个平台时，STPC就诞生了。今天，STPC已经能够提供从486到PII级的、整合了芯片集的x86构架的SoC。 STPC高度综合的x86 PC兼容SoC设备家族中的3个新设备是建立在0.25μm技术上的。该技术允许它们提供高度综合、低能源消耗和低成本。它们是：STPC- Client、STPC-Customer II和STPC Industrial。其共有的功能如下： *64位、133MHz x86兼容的CPU; *8KB L1高速缓存; *转移率为720MB/s的64位SDRAM内存控制器; *PC兼容的DMA、中断、定时控制器; *ISA和PCI总线控制器; *总线控制EIDE控制器; *JTAG测试端口。 每种STPC设备的目标都有不同类型的应用。 ①STPC-Client。“无组织应用”的“服务器产品引擎”。典型的应用是带有存储器的网络、防火墙、Web服务器、传真服务器、打印服务器、家庭网关、路由器、PBX等。 STPC-Client增加的功能： *16线通用I/O模块。 ②STPC-Customer II。使用TV或监控器来实现显示和视频性能的产品的“TV产品引擎”。典型的应用是Web盒、可访问Web的TV和TV机顶盒、Web DVD等。 STPC-Customer II增加的功能： *带有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的图形加速; *PAL/NTSC TV视频输出接口; *视频输入端口。 ③STPC Industrial。带有CRT或TFT LCD显示的产品和终端的“上网产品/终端引擎”。典型的应用是Internet终端、瘦型客户机终端、Web电话、Web便签簿、汽车导盘设备和娱乐系统。 STPC-Industrial增加的功能： *带有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的图形加速功能; *TFT LCD显示接口; *视频输入端口; *PS/2键盘和鼠标; *PC兼容的双UART和并行端口; *双USB主机集线器; *PCMCIA/Cardbus控制器。 图2 STPC-Industrial的逻辑结构 3 基于STPC-Industrial的设计应用 正是由于STPC为我们提供了设计PC构架的嵌入式系统的基础，使得嵌入式应用能够实现更多的功能。 下文介绍一种基于STPC-Industri