微型计算机原理教学课件PPT系统芯片与片上通信结构.ppt

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1、微型计算机原理,第21讲 系统芯片与片上通信结构,1,微型计算机原理,主要内容一、芯片的制造和封装二、系统芯片三、系统总线和片上总线四、片上通信结构教材相关章节：微型计算机基本原理与应用（第二版）第14章 总线及总线标准第7章 微处理器的内部结构及外部功能特性,2,微型计算机原理,主要内容一、芯片的制造和封装二、系统芯片三、系统总线和片上总线四、片上通信结构新发展,3,微型计算机原理,12英寸晶圆,晶圆（Wafer）2/4/6/8英寸晶圆,18英寸晶圆20132015年?,4,微型计算机原理,芯片制造过程示意,晶圆Wafer,裸片Die芯片Chip,5,微型计算机原理,微连接技术举例引线键合（

2、Wire-bonding）DieWire,6,微型计算机原理,微连接技术举例倒装片（Flip-chip）,5,4,3,2,1,7,微型计算机原理,8,微型计算机原理,芯片封装技术举例TSOP(Thin Small Outline Package)薄型小尺寸封装,9,微型计算机原理,芯片封装技术举例QFP(Quad Flat Package)四侧引脚扁平封装,10,微型计算机原理,芯片封装技术举例PGA(Pin Grid Array)引脚网格阵列,11,微型计算机原理,芯片封装技术举例BGA(Ball Grid Array)球栅阵列,12,微型计算机原理,主要内容一、芯片的制造和封装二、系统芯片

3、三、系统总线和片上总线四、片上通信结构新发展,内存条,（主存/DRAM）,13,微型计算机原理,键盘,显卡,微处理器芯片的集成度不断提高,CPU,内存条插槽,内存接口控制器北桥芯片PCI-E接口控制器,PCI-E插槽ROM接口控制器,键盘插口,南桥芯片键盘接口控制器,显示器,BIOS芯片（ROM）,14,微型计算机原理,系统芯片实例,15,微型计算机原理,16,微型计算机原理,单芯片计算机方案,17,微型计算机原理,单芯片计算机方案和传统南北桥方案,18,微型计算机原理,主要内容一、芯片的制造和封装二、系统芯片三、系统总线和片上总线四、片上通信结构新发展,19,微型计算机原理,系统总线和片上总

4、线的位置片上总线系统总线,20,微型计算机原理,系统总线和片上总线实例系统总线的实例PCI总线Intel公司制定片上总线的实例AHB总线ARM公司制定,AHB总线,PCI总线,21,微型计算机原理,一个包含AHB和PCI总线的系统实例,M 以太网S 控制器,译码器,仲裁器,微处理器,M,存储控制器,S,总线桥接器,MS,SM,仲裁器,M:主模块接口S:从模块接口,22,微型计算机原理,总线标准的内容1、机械特性 规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等2、电气特性 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等3、功能特性 给出各总线信号的名称及功能定义4、规程特性 对各总线信号的动

5、作过程及时序关系进行说明,23,微型计算机原理,总线标准对比,1、机械特性 规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等2、电气特性 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等,PCI总线,AHB总线,24,微型计算机原理,总线标准对比,1、机械特性 规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等2、电气特性 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等,PCI总线,AHB总线,25,微型计算机原理,总线标准对比3、功能特性 给出各总线信号的名称及功能定义,REQGNTFRAMEIRDYC/BE3:0AD31:0DEVSELTRDY,PCI总线,HREQHGRANTHTRANS

6、1:0HBURST2:0HSIZE2:0HADDR31:0HWDATA31:0HSELHREADYHRDATA31:0,AHB总线,26,微型计算机原理,PCI总线多功能信号说明AD31:0A：AddressD：DataC/BE3:0C：CommandBE：Byte Enable,27,微型计算机原理,C/BE信号的命令模式说明,28,微型计算机原理,总线标准对比4、规程特性 对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明,基本读传输基本写传输配置读传输配置写传输,PCI总线,单个读传输单个写传输突发读传输突发写传输,AHB总线,29,微型计算机原理,AHB总线：单个数据的传输,未准备好,未准备好,

7、准备好,主模块发出地址,从模块采样地址,主模块采样读数据,30,微型计算机原理,AHB总线：4个数据的突发传输,主模块忙,地址总线空闲,IDLEINCR4地址递增的4个数据的传输,传输开始,传输进行中,31,微型计算机原理,PCI总线：基本的读传输,32,微型计算机原理,PCI总线：基本的写传输,33,微型计算机原理,C/BE信号的命令模式说明,AHB总线,34,微型计算机原理,总线译码方式（1）集中式译码,从模块1,从模块2主模块2从模块3译码器,1.发出地址主模块1,35,微型计算机原理,总线译码方式（1）,集中式译码（电路图）,地址和控制,选中,读数据和响应,从模块,1,主模块,从模块3

8、,1从模块2主模块,译码器,2case(addr15:12)4b0000:sel1=1;4b0001:sel2=1;,4b0010:sel3=1;.,endcase,PCI总线,被选中,36,微型计算机原理,总线译码方式（2）,分布式译码,从模块1从模块2从模块3,1.发出地址主模块1主模块2,译码逻辑2.自己声明 译码逻辑译码逻辑,if addr31:28=4b0001devsel=0;elsedevsel=1;,if addr31:28=4b0011devsel=0;elsedevsel=1;,37,微型计算机原理,PCI总线：DEVSEL信号,38,微型计算机原理,PCI总线的分布式译码

9、为什么要采用“分布式译码”？如何实现“分布式译码”？,39,微型计算机原理,PCI配置空间（头部寄存器）,40,微型计算机原理,PCI总线配置传输每个总线模块都有一个单独的IDSEL信号输入，用作指示配置传输的目标,41,微型计算机原理,主要内容一、芯片的制造和封装二、系统芯片三、系统总线和片上总线四、片上通信结构的新发展,42,微型计算机原理,AMBA2.0-AHB的不足之处举例当主模块1长时间等待从模块2返回读数据时，造成了大量与此无关的传输无法发起：主模块2到从模块3的读传输 主模块1到从模块2的写传输 主模块1到从模块1的写传输,INTC,总线,ROM,主模块1 CPU,主模块2 DM

10、A,从模块1,DRAM 从模块2,从模块3,43,微型计算机原理,AMBA3.0-AXI的新特性AXI：Advanced eXtensible Interface1.burst-based transactions with only startaddress issued2.separate read and write data channels3.issue multiple outstanding addresses4.out-of-order transaction completion5.support for unaligned data说明：AXI实质上并不是总线，而是介于总线

11、和网络之间的互连结构，但通常仍称为总线,44,微型计算机原理,AXI的读通道,45,微型计算机原理,AXI的写通道,46,微型计算机原理,芯片的复杂度和处理能力不断提高未来单个芯片内将集成几百上千处理单元和存储单元用于消费类电子的SoC的设计复杂度预测（ITRS）,47,微型计算机原理,片上通信结构,面临的主要问题,片上网络的兴起,功耗问题,信号完整性问题,信号延迟问题,吞吐率问题并行传输,高效率,可预测,数据纠错重传机制,全局异步局部同步全局同步问题,48,微型计算机原理,片上网络研究热点片上网络的研究领域和协议栈的对应关系片上网络路由研究关注的重点,49,微型计算机原理,片上网络的相关研究

12、成果花束型（torus）结构*Design Automation Conference,2001.二维网格结构的NOSTRUM*IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI,2002.片格中的处理单元,50,微型计算机原理,片上网络路由器的结构实例面向二维网格结构为确保服务和尽力而为服务提供独立的路由部件采用输出缓冲的模式在输出端口进行链路调度设置4个虚通道,51,微型计算机原理,片上网络的相关研究成果八边形的Octagon*Design Automation Conference,2001胖树结构的SPIN*Design,Automation and Test in Europe,2000,22mm,52,微型计算机原理,80核处理器2008年10月，Intel公开展出首款80核处理器原型：Teraflop Research Chip,Router,Core,80 cores,主频：3.165.7GHz,性能：1.011.81Tflops功耗：62256W13.75mm,Class Over,Restrooms,Telephones,Refreshments,