【数字IC验证快速入门】2、通过一个SoC项目实例，了解SoC的架构，初探数字系统设计流程

导读：作者有幸在中国电子信息领域的排头兵院校“电子科技大学”攻读研究生期间，接触到前沿的数字IC验证知识，旁听到诸如华为海思、清华紫光、联发科技等业界顶尖集成电路相关企业面授课程，对数字IC验证有了一些知识积累和学习心得。为帮助想入门前端IC验证的朋友，思忱一二后，特开此专栏，以期花最短的时间，走最少的弯路，学最多的IC验证技术知识。

一、SoC架构图：核心功能和设计目标

SoC是基于通用处理器这样的思路进行设计的，与PC设计思路一样。即通用处理器是由 CORE + MEM 两部分组成，修改软件来实现不同的功能，电脑还是同一个电脑，硬件组成还都是一样的。

SoC架构图四大组成部分：

• 1、核 CORE
• 2、存储 MEM
• 3、外设 IO
• 4、总线 BUS

SoC总的架构图如下:

1.1、SoC - 核 CORE

对于核来讲，现在主流的核有三类：

• CISC（Complex Instruction Set Computer - 复杂指令集计算机）
  • x86为代表，公司有AMD和INTEL，PC和Server用这类核比较多。
• RISC（Reduced Instruction Set Computing - 精简指令集计算机）
  • ARM为代表，手机芯片、嵌入式系统等用这类核比较多。
    • ARM-M系列：低端，常用在微控制场景，如MCU
    • ARM-R系列：中端，常用在实时场景，如医疗器械，路由交换机
    • ARM-A系列：高端，常用在高端应用场景，如手机芯片
• RISC-V（开源）
  • 基于ARM和x86之间，可以进行灵活的切换和组装
  • 暂没有成熟的商用体系，没有生态支撑

架构图，左上角为SoC系统的核，此处使用的是ARM 公司的Cortex-M3/M4内核。

同时，I-Code表示指令代码，D-Code表示数据代码。JTAG用来调试芯片，下载调试程序使用。

注：I-Code、D-Code 即 I-Cache、D-Cache，这个可选的，并不是每个SoC都会用到，需要根据实际芯片的规模和需求！

1.2、SoC - 存储 MEM

架构图，中间部分为SoC系统的存储，此处包含PFlash和SRAM两种。

• PFlash（硬盘）中的数据掉电不丢失
  • 如果PFlash不够用，可以外扩Flash，如NFC（Nand Flash Controller）
• SRAM（内存）中的数据掉电丢
  • SRAM是静态随机存储器（Static Random Acess Memory），与之相对的还有一种是动态随机存储器（Dynamic Random Acess Memory）。DRAM需要不断的刷新才能保持住数据，SRAM是不需要刷新的！
  • DRAM的密度很高，所以当存储数据容量很大的时候组出来的Memory面积就会小一些！SRAM通常用在小的SoC中！
  • 如果SRAM不够用，可以外扩SRAM，比如上图中的Ext_SRAM
• core上电后，会到PFlash中取它的指令，来读取系统要运行的“软件”（代码），在PFlash启动之后，把所需的软件下载至SRAM中，最终在SRAM里运行“软件”。
  • 即BootLoader放在PFlash中，一上电便会将其load至SRAM中，CPU来SRAM取指来执行我们的程序！
• SRAM存储速率较PFlash速率快，故上电跑的程序是放在SRAM中，启动程序以及不需要的数据会存在PFlash中。

1.3、SoC - 外设 IO

外设 IO分为两部分：

• 一个是高速外设 IO（AHB 100MHz）：DMA、Ext_SRAM Controller、SD_Memory、SD_Host
• 一个是低速外设 IO（APB 50MHz）：SPI、UART、GPIO、I2C

1.3.1、 DMA

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问），使用场景如下：当CPU需要搬移SRAM中的大量数据时，此时如果使用CPU搬移，则会先将SRAM中的数据搬移至CPU的寄存器中，然后再取指令写操作等方式搬移至目的地。该方法效率较低，且占用了CPU的宝贵处理时间。此时就有了DMA的登场，CPU只需告诉DMA引擎，你需要从哪个地址搬移多少个数据到哪个地址，这样DMA就自己听话地去工作了，不再需要CPU的参与，减轻CPU的负荷