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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
2、 微型计算机原理 微连接技术举 例 引线键 合（Wire-bonding） Die Wire 6 微型计算机原理 微连接技术举 例 倒装片（Flip-chip） 54 321 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)
3、 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 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
4、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 M S S M 仲裁器 M: 主模块接口 S: 从模块接口 22 微型计算机原理 总线标总线标 准的内容 1、机械特性 规规定模块
5、块插件的机械尺寸，总线总线 插头头、插座的规规格及位置等 2、电电气特性 规规定总线总线 信号的逻辑电逻辑电 平、噪声容限及负载负载 能力等 3、功能特性 给给出各总线总线 信号的名称及功能定义义 4、规规程特性 对对各总线总线 信号的动动作过过程及时时序关系进进行说说明 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
6、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 REQ GNT FRAME IRDY C/BE3:0 AD31:0 DEVSEL TRDY PCI总线HREQ HGRANT HTRANS1:0 HBURST2:0 HSIZE2:0 HADDR31:0 HWDATA31:0 HSEL HREADY HRDATA31:0 AHB总线 26 微型计算机原理 PCI总线 多功能信号说明 AD31:0 A：Address D：Data C/BE3:0 C：Command BE：Byte
7、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 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 IDLE INCR4 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
8、：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 1 从模块 2 主模块 译码器 2 case ( addr15:12 ) 4b0000: sel1 = 1 ; 4b0001: sel2 = 1 ; 4b0010: sel3 = 1 ; . endcase P
9、CI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 = 4b0001 devsel = 0; else devsel = 1; if addr31:28 = 4b0011 devsel = 0; else devsel = 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 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
10、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 DMA 从模块1 DRAM 从模块2 从模块3 43 微型计算机
11、原理 AMBA3.0-AXI的新特性 AXI：Advanced eXtensible Interface 1. burst-based transactions with only start address issued 2. separate read and write data channels 3. issue multiple outstanding addresses 4. out-of-order transaction completion 5. support for unaligned data 说明：AXI实质 上并不是总线 ，而是介于总线 和网络之间的互连结 构，但通
12、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 片上通信结结构 面临临的主要问题问题 片上网络络的兴兴起 功耗问题问题 信号完整性问题问题 信号延迟问题迟问题 吞吐率问题问题 并行传输传输 高效率 可预测预测 数据纠错纠错 重传传机制 全局异步 局部同步 全局同步问题问题 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
13、的重点 49 微型计算机原理 片上网络的相关研究成果 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：62256W 13.75mm Class Over RestroomsRestrooms TelephonesTelephones RefreshmentsRefreshments