一种高性价比的SoC架构[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1045879 A(43)申请公布日 2017.02.22

(21)申请号 2016110280.8(22)申请日 2016.11.18

(71)申请人 南京火零信息科技有限公司

地址 210046 江苏省南京市栖霞区尧化街

道科创路1号金港科创园4幢507(72)发明人 张毓　

(74)专利代理机构 北京科亿知识产权代理事务

所(普通合伙) 11350

代理人 汤东凤(51)Int.Cl.

G06F 15/78(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图5页

()发明名称

一种高性价比的SoC架构(57)摘要

本发明公开了一种高性价比的SoC架构，包括改进的8051核、flash核、模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、通信收发器、数据存储器、I2C接口，所述模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、I2C接口通过SFR总线或xmem总线与8051核电性连接，所述通信收发器通过SFR总线和xmem总线与8051核电性连接，所述数据存储器通过xmem总线与8051核电性连接，所述flash核通过flash信号线与flash存取控制电路电性连接，所述flash存取控制电路通过读写总线与8051核电性连接，所述flash存取控制电路支持程序烧录。本发明可以节省存储空间、提高速度，支持8051在flash中的bank操作，采用了改进的8051核，与标准8051指令集兼容，占用芯片面积小，减少了成本和风险，简化系统设计、减少功耗和成本。

CN 1045879 ACN 1045879 A

权　利　要　求　书

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1.一种高性价比的SoC架构，其特征在于：包括改进的8051核、flash核、模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、通信收发器、数据存储器、I2C接口，所述模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、I2C接口通过SFR总线或xmem总线与8051核电性连接，所述通信收发器通过SFR总线和xmem总线与8051核电性连接，所述数据存储器通过xmem总线与8051核电性连接，所述flash核通过flash信号线与flash存取控制电路电性连接，所述flash存取控制电路通过读写总线与8051核电性连接，所述flash存取控制电路支持程序烧录。

2.根据权利要求1所述的一种高性价比的SoC架构，其特征在于：所述通信收发器包括配置寄存器、数据缓冲器，所述配置寄存器通过SFR总线与8051核电性连接，所述数据缓冲器通过通过xmem总线与8051核电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种高性价比的SoC架构，其特征在于：所述flash存取控制电路包括flash下载电路、flash只读电路、flash读写电路，所述flash下载电路与下载控制相连用于接收上位机数据，按页写入全部原始程序，所述flash只读电路与8051核相连作为程序空间的ROM来使用，所述flash读写电路通过8051总线与8051核相连用于部分更改flash内容，所述flash核分别与flash下载电路、flash只读电路、flash读写电路电性连接，其中所述flash只读电路与flash读写电路并联后与所述flash下载电路并联。

4.根据权利要求3所述的一种高性价比的SoC架构，其特征在于：所述flash下载电路包括下载控制状态机、串口收发、串口波特率生成，所述串口波特率生成的输出端与串口收发的输入端连接，所述下载控制状态机、串口收发双向连接，所述下载控制状态机与flash信号双向连接，所述串口收发与串口信号双向连接。

5.根据权利要求3所述的一种高性价比的SoC架构，其特征在于：所述flash读写电路部分更改flash内容通过在8051核的数据存储器中包含一块两用RAM，平时作为8051的数据存储器使用；当需要对flash的一部分进行改写时，就搬移一部分程序到此RAM，然后程序跳转到此RAM中运行，并对flash进行写操作；写完后跳转回flash继续运行。

6.根据权利要求1所述的一种高性价比的SoC架构，其特征在于：所述改进的8051核支持bank电路，包括指令执行状态机、8051专用寄存器堆、8051输入输出控制接口和bank选择电路，所述指令执行状态机包括跳转后控制信号，所述8051专用寄存器堆内包括bank序号用于配置下次要跳入的bank的序号，所述跳转后控制信号、bank序号的输出端与bank选择电路的输入端连接，所述8051输入输出控制接口的输入端与flash核的输出端连接，所述8051输入输出控制接口、bank选择电路的输出端均与组合逻辑电路的输入端连接，所述组合逻辑电路将加bank后的地址发送给flash核。

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说　明　书一种高性价比的SoC架构

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技术领域[0001]本发明涉及芯片架构技术领域，尤其涉及一种高性价比的SoC架构。

背景技术[0002]现在很多商用芯片都在尽可能增加集成度，从而降低成本、提高可靠性。常常一个芯片就是一个小的片上系统(SoC)。其中的CPU核一般用于数据运算和/或事务处理。高性能的CPU核常常需要license费用，并且占的芯片面积也不小。而实际应用中，常常并不需要一味追求高性能——比如，有的应用没有过大的数据量，或者有额外的协处理器分担一部分运算。在保证一定性能的前提下，简单的CPU核，以及相应的系统架构，可以简化系统设计、减少功耗和成本。此外，丰富的应用是现在嵌入式终端面临的主要问题，这意味着大量的应用程序，即需要大的程序空间。而传统8051程序空间寻址仅为k，在面对上述应用时捉襟见肘。

发明内容[0003]本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高性价比的SoC架构。[0004]为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：[0005]一种高性价比的SoC架构，包括改进的8051核、flash核、模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、通信收发器、数据存储器、I2C接口，所述模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、I2C接口通过SFR总线或xmem总线与8051核电性连接，所述通信收发器通过SFR总线和xmem总线与8051核电性连接，所述数据存储器通过xmem总线与8051核电性连接，所述flash核通过flash信号线与flash存取控制电路电性连接，所述flash存取控制电路通过读写总线与8051核电性连接，所述flash存取控制电路支持程序烧录。[0006]优选的，所述通信收发器包括配置寄存器、数据缓冲器，所述配置寄存器通过SFR总线与8051核电性连接，所述数据缓冲器通过通过xmem总线与8051核电性连接。[0007]优选的，所述flash存取控制电路包括flash下载电路、flash只读电路、flash读写电路，所述flash下载电路与下载控制相连用于接收上位机数据，按页写入全部原始程序，所述flash只读电路与8051核相连作为程序空间的ROM来使用，所述flash读写电路通过8051总线与8051核相连用于部分更改flash内容，所述flash核分别与flash下载电路、flash只读电路、flash读写电路电性连接，其中所述flash只读电路与flash读写电路并联后与所述flash下载电路并联。[0008]优选的，所述flash下载电路包括下载控制状态机、串口收发、串口波特率生成，所述串口波特率生成的输出端与串口收发的输入端连接，所述下载控制状态机、串口收发双向连接，所述下载控制状态机与flash信号双向连接，所述串口收发与串口信号双向连接。[0009]优选的，所述flash读写电路部分更改flash内容通过在8051核的数据存储器中包含一块两用RAM，平时作为8051的数据存储器使用；当需要对flash的一部分进行改写时，就

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搬移一部分程序到此RAM，然后程序跳转到此RAM中运行，并对flash进行写操作；写完后跳转回flash继续运行。[0010]优选的，所述改进的8051核支持bank电路，包括指令执行状态机、8051专用寄存器堆、8051输入输出控制接口和bank选择电路，所述指令执行状态机包括跳转后控制信号，所述8051专用寄存器堆内包括bank序号用于配置下次要跳入的bank的序号，所述跳转后控制信号、bank序号的输出端与bank选择电路的输入端连接，所述8051输入输出控制接口的输入端与flash核的输出端连接，所述8051输入输出控制接口、bank选择电路的输出端均与组合逻辑电路的输入端连接，所述组合逻辑电路将加bank后的地址发送给flash核。[0011]改进的8051核是一个免费的改进过的8051IP核，它的绝大部分指令与标准8051兼容，同时将标准8051每个机器周期中的12个时钟周期缩减为4个，大大提高了执行速度。[0012]模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、I2C接口可以灵活的连接在SFR总线和xmem总线上，以达到在芯片中可剪裁的采用各种常见接口的目的。[0013]随着工艺的进步，已经有很多成熟的flash IP core可以集成到芯片中，大大减少了板级设计的复杂度。另外，现在很多应用都要求能够在线更新应用程序，这需要硬件的支持。鉴于此，我们设计flash core的硬件控制电路，使之可以正常擦写、在线更新，而在系统正常运行时作为ROM使用——CPU直接从其中读取程序代码然后运行。[0014]丰富的应用是现在嵌入式终端面临的主要问题，这意味着大量的应用程序，即需要大的程序空间。而传统8051程序空间寻址仅为k，在面对上述应用时捉襟见肘。Bank操作可以将程序空间寻址范围扩展数倍。这需要软硬件两方面的支持。硬件上，我们修改了8051核中部分跳转指令的运行，再配合编译器，可以支持4个bank共128k的寻址空间。[0015]本发明具有以下优点：[0016]1.节省存储空间、提高速度：本系统增加了对片内flash的支持，上电后程序直接在flash中运行，而一般的系统是代码预先存在片外单独一块flash中，上电后先加载到片内code memory中再运行——这需要额外的代码空间和较长的上电启动时间；[0017]2.支持8051在flash中的bank操作，从而支持更多的应用程序——可以支持到128k，256k甚至更大的存储空间，而传统的8051核心最大支持到k字节的存储空间；[0018]3.采用了改进的8051核，指令执行速度是标准8051的3倍(同样时钟的情况下)；[0019]4.与标准8051指令集兼容，这有利于软件的继承、开发和维护；[0020]5.占用芯片面积小，减少了成本和风险：本方案中8051核对应的逻辑门数仅相当于1k个FPGA LE(四输入查找表逻辑单元)，远小于业内常见的ARM核、MIPS核等收费内核；[0021]6.8051使用的是复杂指令集，相比精简指令集的CPU核(如ARM，MIPS)，更容易节省代码空间。

附图说明[0022]图1为传统以8051为核心的SoC架构示意图；[0023]图2为本发明提出的一种高性价比的SoC架构的架构示意图；[0024]图3为flash存取控制电路框图；[0025]图4为flash三种操作模式的切换示意图；[0026]图5为接口时序示意图；

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图6为flash下载电路的框图；

图7为下载控制状态机模块的状态转换图；

图8为8051在flash中和在PD_ram中运行两种模式下的地址映射图；图9为bank电路与地址映射示意图；图10为bank_sel更新的时序示意图；图11为bank切换举例示意图

具体实施方式[0033]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。[0034]参照图2，一种高性价比的SoC架构，包括改进的8051核、flash核、模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、通信收发器、数据存储器、I2C接口，8051核是一个免费的改进过的8051IP核，其绝大部分指令与标准8051兼容，同时将标准8051每个机器周期中的12个时钟周期缩减为4个，大大提高了执行速度，所述模数转换器、实时钟、串口、SPI接口、通用IO口、I2C接口通过SFR总线或xmem总线与8051核电性连接，所述通信收发器通过SFR总线和xmem总线与8051核电性连接，所述数据存储器通过xmem总线与8051核电性连接，flash核通过flash信号线与flash存取控制电路电性连接，flash存取控制电路通过读写总线与8051核电性连接，flash存取控制电路支持程序烧录。通信收发器包括配置寄存器、数据缓冲器，所述配置寄存器通过SFR总线与8051核电性连接，所述数据缓冲器通过通过xmem总线与8051核电性连接。[0035]参照图1，相比传统8051系统架构上的改进共4点，如下：[0036](1)改进的8051核；[0037](2)可剪裁的各种接口；[0038](3)对flash存储器的支持；[0039](4)对bank操作的支持；[0040]本实施例中对flash的操作有三种需求：[0041](1)出厂时，要能烧写整个程序，即支持本地刷新(通过特定串口)；[0042](2)系统运行中，要能更新一部分应用程序或数据，结合相应软件可以支持远程下载、更新；[0043](3)除了上述情况之外的系统正常运行过程中，要能作为程序空间被CPU读取指令。[0044]针对这三种需求，flash要有三种互斥的操作模式，或者说是三种操作状态。由芯片的配置管脚和8051配置寄存器来实施切换。具体列表如下：[0045]表1 flash操作模式

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参照图3，为flash存取控制电路框图，flash存取控制电路包括flash下载电路、

flash只读电路、flash读写电路，flash下载电路与下载控制相连用于接收上位机数据，按页写入全部原始程序，flash只读电路与8051核相连作为程序空间的ROM来使用，flash读写电路通过8051总线与8051核相连用于部分更改flash内容，flash核分别与flash下载电路、flash只读电路、flash读写电路电性连接，其中flash只读电路与flash读写电路并联后与flash下载电路并联。[0048]参照图4，为flash三种操作模式的切换示意图，每种操作中，接口电路都要完成两件事情：一是生成符合flash时序要求的接口信号，二是完成该操作的流程控制。[0049]1.接口时序的控制，本实施例中采用128kB的NOR Flash硬IP核，接口信号分类如下表所示：[0050]表2接口信号分类

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flash下载和读写模式都是主动发起对flash的操作，接口时序主要受控于接口电

路本身，故而比较容易设计；而正常模式(flash作为程序空间只读)对flash的操作还取决于8051，这样就需要接口电路同时满足flash和8051的时序。因此，本实施例中以正常模式为代表介绍接口控制时序，图5为接口时序示意图，8051要求给出读使能和读地址后，flash能够在c3结束之前将数据放到DOUT上。如图5所示，在芯片系统时钟为20MHz时，这样的时序可以满足。[00]参照图6为flash下载电路的框图，flash下载电路包括下载控制状态机、串口收发、串口波特率生成，串口波特率生成的输出端与串口收发的输入端连接，下载控制状态机、串口收发双向连接，下载控制状态机与flash信号双向连接，串口收发与串口信号双向连接。下载模式用于flash的烧写，即通过专用串口将8051程序固化到flash中。这些程序在芯片切换到正常模式后将由8051读取并运行。[0055]参照图7，串口每接收一个字节，就交由“下载控制状态机”去写入(同时串口接收下一个字节)，在下一个字节接收到之前，当前的字节一定可以写入完毕。这样可以达到流水操作的效果，以提高效率；相对于“flash下载”模式中的全部擦写，部分擦写通常只会更改flash中的一小部分内容，大致有两种：一是远程下载的需要更新的部分程序，或者需要增加的新的应用程序，统称为程序的在线更新；二是运行中部分需要永久保存或半永久保存的数据，也可以存入。[0056]由于该flash在擦写的同时，无法从其中读取内容，所以这时8051不能把flash当成rom来读取。解决的办法是先把一小部分程序搬移到一块ram(PD_ram)中，并让程序在其中运行，这样才可以对flash进行改写。[0057]如图8所示，flash读写电路部分更改flash内容通过在8051核的数据存储器中包含一块两用RAM，平时作为8051的数据存储器使用；当需要对flash的一部分进行改写时，就搬移一部分程序到此RAM，然后程序跳转到此RAM中运行，并对flash进行写操作；写完后跳转回flash继续运行，8051在flash中和在PD_ram中运行，对应不同的地址映射。[0058]其中，D_ram一直用作数据空间，而另有一小块PD_ram在正常模式下用作数据空间，在flash读写模式下用作程序空间。此时，PD_ram中的程序是在进入flash读写模式之前从flash中搬移过来的，主要完成flash的擦写功能。[0059]要打断正常运行来进行flash擦写，需要如下步骤：[0060](1)将必要的程序段从flash中搬移到PD_ram中；[0061](2)搬完后会有一个跳转指令，此时硬件自动完成地址映射；[0062](3)将需要改动的flash页映射到8051数据空间的一段(固定地址窗口)；[0063](4)将选定的flash页的内容拷贝到D_ram中，擦除选定的flash页；[00](5)对D_ram中的拷贝做必要的改写，写回到flash中；[0065](6)写完后会有一个跳转指令，跳回flash中运行。[0066]对于低数据率的嵌入式终端，常见的情况是数据存储需求小，而程序存储空间要求大，这种128kB的NOR Flash硬IP核就是针对这种情况的。传统8051程序空间的寻址为k。为了扩展寻址空间，采用划分bank的方式，就可以扩展至128k，256k，乃至更多。这需要软硬件的支持：修改8051硬件，使相关的跳转指令能支持bank跳转；采用中继函数配合编译器实现bank跳转。

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参照图9，改进的8051核支持bank电路，包括指令执行状态机、8051专用寄存器堆、

8051输入输出控制接口和bank选择电路，指令执行状态机包括跳转后控制信号，8051专用寄存器堆内包括bank序号用于配置下次要跳入的bank的序号，跳转后控制信号、bank序号的输出端与bank选择电路的输入端连接，8051输入输出控制接口的输入端与flash核的输出端连接，8051输入输出控制接口、bank选择电路的输出端均与组合逻辑电路的输入端连接，组合逻辑电路将加bank后的地址发送给flash核。[0068]时序如图10所示，本实施例中bank中代码的最小颗粒度是函数，并且在编译时必须经过中继函数，那么目前仅在函数返回指令(ret)运行时更新bank_sel信号即可。[0069]参照图11，中继函数与编译器，Bank1中的函数func X要调用bank2中的函数func Y，在调用和返回过程中分别要经过中继函数B_disp和B_ret。这两个函数都位于bank0即root_bank中。中继函数完成两个功能：一是操作栈顶，选择跳往目标函数；二是通过寄存器“bank序号”保存原bank、设置新bank，该设置在跳转指令执行时实施bank切换。[0070]以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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