《ARM上的现代片上系统设计（Modern System-on-Chip Design on Arm）》书籍介绍

《ARM上的现代片上系统设计》

SoC 设计在这十年中取得了重大进展，基于 Arm 的芯片通常是这场革命的核心。如今，包括处理器、存储器、传感器和模拟电路在内的整个系统都集成在一个芯片中（因此称为“片上系统”或 SoC）。本教科书的目的是通过 Arm（R） Cortex（R）-A 技术以及相关 IP 模块和接口的示例，让有抱负和实践的 SoC 设计人员了解 SoC 设计和技术的基本原理和最新发展。本书详细地讨论了整个 SoC 设计过程，从存储器和互连到验证、制造和生产。本教科书的一个特别亮点是专注于高能效 SoC 设计，以及广泛的补充材料，其中包括 Zynq 芯片的 SystemC 模型。

计算机的四个象限

这本教科书面向希望更新知识的最后一年本科生、硕士生或工程师。假设读者将对RTL，汇编语言和操作系统有一个预先存在的理解。对于那些希望获得SoC设计入门级介绍的读者，我们推荐我们的《Arm Cortex-M微控制器上的片上系统设计基础，System-on-Chip Design with ARM Cortex-M Processors》教科书。

本书的附加材料：
https://bitbucket.org/djg11/modern-soc-design-djg/src/master/

片上系统简介

什么是片上系统（SoC）？

今天制造的大多数计算机都采用片上系统 (SoC) 方法。 SoC 在一块硅芯片上包含处理器、缓存、内存和输入/输出 (I/O) 设备。 这提供了最低的产品成本，因此尽可能使用。 更复杂的计算机无法安装在一块硅片上，因此需要使用多个芯片。 如果单个芯片的制造工艺不是其所有部件的最佳选择，这也是首选方法；例如 DRAM 和闪存就使用不同的芯片制程。 然而，即使使用多块硅片，它们也常常使用芯片堆叠或中介层紧密集成到单个封装中。 将计算机装入尽可能小的空间是计算机技术在过去 60 年中取得进步的主要技术。 较小的计算机具有较短的连线，并且可以在相同的功耗下运行得更快。

最简单计算机（左）和代码片段（右）的事务级模型 (TLM，Transactional-level model)

本书的结构

本书包含九章，每一章专门介绍 SoC 设计的不同方面。

第 1 章回顾了基本的计算机体系结构，定义了后面章节中使用的术语。 尽管硬件的事务级建模 (TLM) 视图可能是新的，但读者应该在很大程度上熟悉这些材料中的大部分内容。 SoC 是知识产权 (IP) 模块的组合。

第 2 章描述了构成典型 SoC 的许多标准 IP 块，包括处理器、存储器、输入/输出器件和中断。

第 3 章考虑 IP 模块之间的互连，涵盖处理器总线和片上网络 (NoC) 的发展。

第 4 章讲授系统架构的基本原理，包括总线尺寸、排队论和仲裁策略。 它还讨论了对调试支持的设计。

一个简单的A16D8微机结构。 微处理器启动双向/三态数据总线上的所有事务，该总线连接到所有其他组件

第 5 章介绍了电子系统级 (ESL) 建模，其中将整个 SoC（也称为虚拟平台）的仿真模型放在一起。 ESL 模型足以测试和开发软件，以及执行架构探索，其中可以在较高级别检查所提议系统实现的吞吐量、能源使用效率和硅芯片的面积。

第 6 章介绍了进一步的架构探索注意事项，包括为特定应用程序定制加速器的设计。 Bluespec 和 Chisel 语言被描述为设计输入的 RTL 替代方案，并涵盖了高层次综合 (HLS) 的基本原理。

第 7 章是 SoC 形式的测试验证的入门读物，比较了形式验证与仿真模拟在寻找错误和首次正确解决方案方面的用处。 本章还涵盖了许多有用的正式技巧。

第 8 章介绍了用于制造物理硅芯片的半定制制造流程，并涵盖了当今使用 FinFET 的深亚微米器件的高级测试验证方法和可变性缓解缓存技术。

第 9 章介绍了当第一批 SoC 样品从晶圆加工厂返回时应该做什么，包括启动操作系统和检查环境的兼容性（工作温度和不需要的无线电杂散发射）。

三态版本的简单微处理器的示意图符号和外部连接

在不断创新和微型化的推动下，硅技术在过去 50 年里取得了不懈的进步。 结果，越来越多的功能被置于单个芯片中。 如今，包括处理器、内存、传感器和模拟电路在内的整个系统都集成到一个芯片中（因此称为片上系统或 SoC），尽管面积、功率和能源预算紧张，但仍可提供更高的性能。 这本教科书的目的是让有抱负和实践的 SoC 设计人员了解 SoC 设计和技术的基础知识和最新发展。 SoC 中的处理器运行大量软件。 大部分代码都可以在许多平台上移植，但是低级组件（例如设备驱动程序）依赖于硬件并且可能是 CPU 密集型的。 使用自定义加速器硬件可以减少功耗。 尽管本书强调硬件设计元素，但它也涉及协同设计，即硬件和软件是携手设计的。 假定读者已经了解处理器体系结构、计算机技术以及软件和硬件设计的基础知识。