高級微控制器匯流排架構:簡介,安謀控股,ARM架構,系統晶片,基本架構,設計流程,

高級微控制器匯流排架構（英語：Advanced Microcontroller Bus Architecture, AMBA）是用於ARM架構下系統晶片（SoC）設計中的一種匯流排架構，由安謀國際科技於1996年開發。它在超大規模積體電路設計中有著重要的作用。

基本介紹

中文名：高級微控制器匯流排架構
外文名：Advanced Microcontroller Bus Architecture
領域：計算機

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簡介

高級微控制器匯流排架構（英語：Advanced Microcontroller Bus Architecture, AMBA）是用於ARM架構下系統晶片（SoC）設計中的一種匯流排架構，由安謀國際科技於1996年開發。它在超大規模積體電路設計中有著重要的作用。隨著該架構的發展，它的套用逐漸超出了微控制器的範疇，如今在特殊套用積體電路（ASIC）以及系統晶片設計項目中也得到廣泛套用，這些積體電路產品是現代移動設備（如智慧型手機）的重要組成部分。

安謀控股

安謀控股公司（英語：ARM Holdings plc.），又稱ARM公司，是總部位於英國英格蘭劍橋的半導體設計與軟體公司。主要的產品是ARM架構處理器及相關外圍組件的電路設計方案，產品以智慧財產權核授權的形式與相應的軟體開發工具一起向客戶銷售。目前是日本軟銀集團旗下的子公司。

ARM架構

ARM架構，過去稱作高級精簡指令集機器（英語：Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine），是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。但在其他領域上也有很多作為，由於節能的特點，ARM處理器非常適用於移動通信領域，匹配其主要設計目標為低成本、高性能、低耗電的特性。另一方面，超級計算機消耗大量電能，ARM同樣被視作更高效的選擇。

至2009年為止，ARM架構處理器占市面上所有32位嵌入式RISC處理器90%的比例，使它成為占全世界最多數的32位架構之一。ARM處理器可以在很多消費性電子產品上看到，從攜帶型設備（PDA、行動電話、多媒體播放器、掌上型電子遊戲和計算機）到計算機外設（硬碟、桌面型路由器），甚至在飛彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。在此還有一些基於ARM設計的衍伸產品，重要產品還包括Marvell的XScale架構和德州儀器的OMAP系列。

2011年，ARM的客戶報告79億ARM處理器出貨量，占有95%的智慧型手機、90%的硬碟驅動器、40%的數位電視和機上盒、15%的微控制器、和20%的移動計算機。在2012年，微軟與ARM科技生產新的Surface平板電腦，AMD宣布它將於2014年開始生產基於ARM核心的64位伺服器晶片，2016年，日本富士通公司宣布下一代“京”超級計算機將採用ARM架構。

2016年7月18日，日本軟銀集團斥資3.3萬億日元（約合311億美元）將設計ARM的公司ARM Holdings收購。

系統晶片

系統晶片（英語：System on Chip，縮寫：SoC）是一個將電腦或其他電子系統集成到單一晶片的積體電路。系統晶片可以處理數位訊號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。系統晶片常常套用在嵌入式系統中。系統晶片的集成規模很大，一般達到幾百萬門到幾千萬門。

儘管微控制器通常只有不到100 kB的隨機存取存儲器，但是事實上它是一種簡易的、功能弱化的單晶片系統，而“系統晶片”這個術語常被用來指功能更加強大的處理器，這些處理器可以運行Windows和Linux的某些版本。系統晶片更強的功能要求它具備外部存儲晶片，例如有的系統晶片配備了快閃記憶體。系統晶片往往可以連線額外的外部設備。系統晶片對半導體器件的集成規模提出了更高的要求。為了更好地執行更複雜的任務，一些系統晶片採用了多個處理器核心。

基本架構

典型的系統晶片具有以下部分：

至少一個微控制器或微處理器、數位訊號處理器，但是也可以有多箇中央控制核心
記憶體則可以是唯讀存儲器、隨機存取存儲器、EEPROM和快閃記憶體中的一種或多種
用於提供時間脈衝信號的振盪器和鎖相環電路
由計數器和計時器、電源電路組成的外部設備
不同標準的連線接口，如通用串列匯流排、火線、乙太網、通用異步收發和序列周邊接口等
用於在數位訊號和模擬信號之間轉換的模擬數字轉換器和數字模擬轉換器
電壓調理電路以及穩壓器

數據的流動主要藉助了系統中的I/O匯流排，例如安謀國際科技公司的高級微控制器匯流排架構。採用DMA控制器，則可以使得外部數據直接被傳送到存儲器，無需經過中央處理器，這可以大大改善數據吞吐的效率。

設計流程

一個完整系統晶片由硬體和軟體兩部分組成，其中軟體用於控制硬體部分的控制器、微處理器或數位訊號處理器核心以及外部設備和接口。系統晶片的設計流程主要是其硬體和軟體的設計。

由於系統晶片的集成度已經達到數百萬門，工程師必須儘可能採取可重用的設計思路。大部分的系統晶片都使用了預定義的半導體智慧財產權核（IP核，包括軟核、硬核和固核），以可重用設計的方式來完成快速設計。與以往的積體電路設計相比，可重用設計要求設計人員的工作更加標準化，例如規範的代碼書寫風格等等。設計人員需要關注硬體驅動程式的實現，從而實現具體的功能。協定棧是一個重要的概念，它與諸如通用串列匯流排的接口的工業標準有關。設計人員通常使用計算機輔助工程工具來把已經設計（或者購買）的核連線在一起，這時集成開發環境可以被用來整合包含不同子功能的模組。

設計的晶片在被送到工廠進行硬體工藝製造之前，設計人員會採取不同方式對晶片的邏輯功能進行驗證。功能驗證的重要性絲毫不亞於積體電路設計，對於現代的超大規模積體電路，這一步驟在整個設計周期中將花費相當的時間和金錢。為了應對晶片極高的複雜程度，類似SystemVerilog、SystemC、e驗證語言和OpenVera的硬體驗證語言逐漸變得流行。在驗證階段，系統軟體的程式錯誤可以被反饋到設計人員那裡，以便進行針對性的修正。

工程師通常會使用精心設計的仿真器或者在通用的現場可程式邏輯門陣列（FPGA）上運行程式，來測試之前進行的系統級、行為級（或用另一個術語暫存器傳輸級，即RTL）的設計代碼，這一步的目的是在設計項目在進行最後的硬體生產（投片）之前，其軟、硬體的功能、性能得到最後的確認，並改正所有功能、時序、功耗上的錯誤。

其中，使用現場可程式邏輯門陣列構建產品原型的工作方式可以讓工程師評估、測試各種刺激（stimulus）施加在系統時，系統的運行狀態。相關的電子設計自動化工具包括Certus，它可以被用來分析、檢測系統設計的暫存器傳輸級代碼，監視其中的變數和信號在整個運行過程中的變化。

在功能驗證過程結束之後，工程師還會採取計算機輔助工程的方式完成布局、布線流程，這一步他們需要關注何種布局布線方式可以儘可能地減少連線之間的信號干擾和延遲，功率也是另外一個考慮的重點。

專用積體電路

專用積體電路（英語：Application-specific integrated circuit，縮寫：ASIC），是指依產品需求不同而客制化的特殊規格積體電路；相反地，非客制化的是套用特定標準產品（Application-specific standard product）積體電路。

專用積體電路是由特定使用者要求和特定電子系統的需要而設計、製造。由於單個專用積體電路晶片的生產成本很高，如果出貨量較小，則採用專用積體電路在經濟上不太實惠。這種情況可以使用可程式邏輯器件（如現場可程式邏輯門陣列）來作為目標硬體實現積體電路設計。此外，可程式邏輯器件具有用戶可程式特性，因此適合於大規模晶片量產之前的原型機，來進行調試等工作。但是可程式邏輯器件在面積、速度方面的最佳化程度不如全定製的積體電路。

一般專用積體電路的ROM和RAM都在出廠前經過掩膜（MASK），如常用的紅外線遙控器發射晶片就是這種晶片。

專用積體電路的特點是面向特定用戶的需求，品種多、批量少，要求設計和生產周期短，它作為積體電路技術與特定用戶的整機或系統技術緊密結合的產物，與通用積體電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優點。

高級微控制器匯流排架構