04 SoC与系统架构

SoC与系统架构

SoC/MCU/MPU/CPU的区别

• SoC是将一个完整的系统整合到单一芯片上的集成电路，包括 CPU、GPU、存储控制器、外设接口、专用加速器(GPU/NPU/VOP)等

  • SoC 不一定有片上 RAM（有些会集成 LPDDR），但一定有外部内存接口

• MCU是一种集成了CPU、内存（如闪存、RAM）、以及多种外设（如ADC、DAC、串行通信接口、定时器等）于一体的芯片，可以看成简易版的SoC。与SoC的核心区别：

  • MCU通常不跑复杂OS(最多RTOS)，但是SoC一般跑Linux/Android之类的

  • MCU的片上RAM/ROM都比较小，功耗比较低

• MPU：不带片上 Flash/RAM，需要外部存储器的处理器芯片，一般只包括CPU核心+外设控制器，必须配合外部的RAM+ROM才能运行，适合跑Linux/Android之类的复杂操作系统。（注意：ARM里还有个叫内存保护单元的MPU，和这里不是一个东西）

• CPU就只是CPU内核，包括运算器、控制器、寄存器、Cache等

x86架构的电脑通常会有个主板，将CPU芯片和各个外设芯片通过总线连接

嵌入式系统的SOC/MCU是把CPU和各个外设都集成到了一个芯片里，这是他们很大的一个区别

MCU和SoC的区别主要体现在：

• 处理能力
• 应用场景
• 功耗
• 集成度：
  • MCU集成的资源有限，主要用于控制任务，而非复杂计算
  • 而SOC通常是一个完整的系统集成在一块芯片上，集成度更高。比如有MCU上没有的屏幕驱动部分、GPU等

由于SOC中集成了很多模块，那么软硬件工程师的工作量也会减少，如果用裸CPU，那么什么RAM、FLASH的电路都得自己画，但是如果SOC自带了，那么就不需要了啊

总线的本质

总线不仅仅就是几根线，它包括一套协议以及对应的控制器

总线是指计算机组件间规范化的交换数据的方式，即以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑

对于总线而言，有以下比较重要的性能指标或者是概念需要掌握：

• 总线带宽：指的是单位时间内总线上传送的数据量；其大小为总线位宽*工作频率（单位为bit，但通常用Byte表示，此时需要除以8）
• 总线位宽：指的是总线有多少比特，即通常所说的32位，64位总线
• 总线时钟工作频率：以MHz或者GHz为单位
• 总线延迟：一笔传输从发起到结束的时间。在突发传输中，通常指的是第一笔的发起和结束时间之间的延迟（什么事是突发传输后面再讲）

分类

总线可以分为片上总线和片外总线：

• 片上总线：同一个芯片上不同模块之间的一种规范化交换数据的方式。比如AMBA引入的AHB、APB、AXI等…基于片上总线，我们可以非常迅速的搭建SoC
• 片外总线：两颗芯片或者两个设备之间的数据交换传输方式，比如UART、SPI、IIC、CAN、PCIe、USB…

总线的组成

总线通常由多个信号线组成，每一条信号线承担不同的功能，一种总线由以下部分组成：

• 数据总线：用于传输数据，数据总线的宽度（即信号线的数量）决定了每次传输的数据量，通常为8位、16位、32位或64位
• 地址总线：用于传输内存地址或外设的地址。地址总线的宽度决定了系统能够访问的内存空间的大小。例如，32位地址总线可以寻址2^32个内存地址（即4GB内存）
• 控制总线：用于传输控制信号，协调各个硬件部件的工作。例如，控制信号可以指示内存是否需要读取或写入数据，或者表示数据的方向（从CPU到内存还是从内存到CPU）

总线的工作原理

总线的工作原理依赖于计算机系统中不同组件之间的协调。具体来说，数据传输过程通常包括以下几个步骤：

1. 发起传输请求：当CPU需要从内存读取数据或向内存写入数据时，它通过控制总线发起传输请求
2. 地址传输：CPU将目标地址传送到地址总线上，标明要访问的内存位置或外设地址
3. 数据传输：数据通过数据总线传输到目标组件，数据总线将存储在寄存器中的数据传输到内存或外设，反之亦然
4. 控制信号：控制总线发送信号来确保数据传输的正确性，如控制读/写操作、数据传输的方向等

片上互联总线

对于SoC内部各个模块之间连接，我们通常不会用像I2C、SPI、USB之类的协议，而是用专用的片上互联总线。对于嵌入式平台来说，最常用的协议是AMBA

AMBA

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture，高级微控制器总线架构）定义了SoC内部的RISC CPU和其他硬件模块如何连接，基于AMBA总线，可以快速的将各个模块连接起来，构建一个SoC

AMBA是个协议簇，它包含了许多协议，比如：

• AHB(Advanced High-performance Bus) 高级高性能总线
• APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外设总线
• AXI (Advanced eXtensible Interface) 高级可拓展接口
• ASB (Advanced System Bus) 高级系统总线——用的很少
• ……

在SoC设计时，各个IP核如果要通过AMBA里的协议和其他模块连接，内部得包含相关协议的wrapper（协议适配层）在IP的内部逻辑和系统总线之间做协议映射

在一个典型的基于 ARM Cortex-A 的 SoC 中，总线结构通常如下所示:

[ CPU ] [ GPU ] [ DMA ]   (高性能主设备)
    \     |     /
     \    |    /
    [  AXI 互联矩阵 ]
         |
    [ AXI-to-AHB桥 ]
        /     \
       /       \
[ AHB ]       [ DDR控制器 ]   (高性能从设备)
  |
[AHB-to-APB桥] 
  |
[ APB 总线 ]
  |   |    |
[UART][I2C][GPIO]...   (低速外设)

AHB

AHB总线用于连接高速模块，包括ARM的处理器，片内RAM、DMA Master等。它采用共享总线架构，支持多个主设备和从设备，但是同一时刻总线上只有一个主设备驱动信号线。此外他还包括一个仲裁器，用于选择主设备，一个译码器来选择从设备，顾硬件架构分为5部分：

• Master
• Slave
• 仲裁器
• 译码器
• 多路选择器（Multiplexer）

MUX（多路选择器）是数电里的基本电路，有多路输入信号和选择信号，通过选择信号（仲裁器/译码器）来决定最终的输出

在一些场景下，只有单个Master，此时用AHB可能过于复杂，于是ARM又提出了AHB-Lite协议，它支持单主多从，并且没有仲裁器了

APB

APB总线用于连接低速、低功率的一些外设比如GPIO、SPI、UART、IIC等。它是个单主多从的总线。APB通常位于 AHB 或 AXI 总线的下游，通过桥接器（Bridge）连接

APB总线包含以下3个模块：

• APB Bridge：从AHB/AXI接收指令和数据，转成 APB 时序和信号，是 APB 的唯一Master
• 译码器：根据地址选择要访问的从设备，产生 PSELx 信号
• APB Slave：被访问的外设模块（UART、GPIO、Timer 等），响应 PSEL、PENABLE 信号，返回数据

AXI

AXI 是 AMBA 架构下的高性能总线协议，它通过“读写分离 + 多通道并行 + 灵活握手”机制，为SoC模块之间提供了统一且高效的数据通信方式。主要用于连接CPU、高速外设（DMA、GPU、NPU）、DDR、SRAM等

实际上现在的SoC中AHB已经很少使用了。除非是很低端的MCU，考虑到节省功耗和面积等因素，才会去使用AHB总线。目前更多的SoC采用AXI总线来连接一些高速模块

总线矩阵

在SoC中如果直接使用AHB+MUX连接多个主设备和从设备，实际上效率会非常低的，因为同一时刻只能有一个主设备驱动总线。因此人们提出总线矩阵，它是一种多主多从的片上互连（On-Chip Interconnect）架构，它允许多个主设备（例如 CPU、DMA 控制器）同时访问多个从设备（例如 SRAM、外设寄存器、DDR 控制器），而不需要像传统单总线那样串行访问，但是同一个从设备同时只能被一个主设备访问，所以仍有仲裁器

一个总线矩阵内部包含以下模块：

• 主接口（Master Interface）：与主设备（如 CPU、DMA）连接
• 从接口（Slave Interface）：与从设备（如存储器、外设）连接
• 地址解码器（Address Decoder）：判断访问目标属于哪个从设备
• 仲裁器（Arbiter）：每个从设备都有一个，当多个主设备同时请求时决定谁先访问
• 通道（Channel）：连接主从之间的独立数据路径，可并行工作

常见实现：

• AMBA AHB Matrix：出现在 Cortex-M3/M4/M7 等 MCU 中（如 STM32F4）
• AMBA AXI Interconnect：出现在 Cortex-A 系列 SoC（如 i.MX6ULL、RK3568、全志A系列）

面试问题

• AMBA、AHB、APB、AXI总线介绍及对比

• 深入理解AMBA总线（零）绪论

1.寄存器地址到底是什么？为什么每个外设在物理地址空间中会有自己的一段地址

• CPU 并不直接“认识外设”或“芯片模块”，它只知道“能访问的一切资源都通过地址访问”。所以SoC中一切资源（RAM、ROM、外设）全部都被映射到一个统一的物理地址空间中

2.CPU访问内存地址的时候，怎么知道哪个地址对应RAM，哪个地址对应GPIO的呢

• 每个SoC在设计阶段，都会由硬件工程师定义一张内存映射表，这张表规定了每个模块在物理地址空间中所占的区域，例如
  • 0x00000000 ~ 0x0FFFFFFF → 内存
  • 0x10000000 ~ 0x1FFFFFFF → 外设
  • 0x20000000 ~ 0x2FFFFFFF → 调试模块
  • …
• 这张表由总线矩阵实现，AHB/AXI总线译码逻辑会根据地址选择哪个从设备

3.为什么访问外设寄存器时要ioremap

• 因为外设寄存器在物理地址空间中，必须映射到内核虚拟地址空间中才能被CPU访问

4.SoC 中 CPU 是如何访问外设寄存器的

• 通过 AXI/AHB 总线，经过 AXI-APB Bridge 访问外设

DMA

DMA（Direct Memory Access）是用于高效数据传输的一种技术，能够实现外设和内存之间直接交换数据，而无需CPU干预，它通常以独立的控制器存在。DMA不仅减轻了CPU负担，提高了数据传输效率，还能在数据传输过程中保持CPU的并行计算能力，适用于大数据量、高带宽的应用场景

DMA的工作模式

DMA有几种常见的传输模式，具体方式取决于传输的源和目标设备以及数据的传输方向：

1. 内存到内存
   • 数据从一个内存位置传输到另一个内存位置
   • 通常用于大数据块的移动，如从一个缓冲区复制数据到另一个缓冲区
2. 外设到内存
   • 数据从外设（例如传感器、ADC）传输到内存
   • 比如一个传感器的测量结果可以直接写入内存供后续处理
3. 内存到外设
   • 数据从内存传输到外设
   • 比如，将数据从内存直接写入到输出设备（如DAC、显示器）
4. 外设到外设
   • 数据从一个外设传输到另一个外设
   • 比如在某些设备之间直接传输数据，而不通过内存（例如数据采集系统中，数据直接从一个外设转移到另一个外设）

DMA控制器的工作流程

1. 请求：外设发起DMA请求，告诉DMA控制器需要进行数据传输
2. 授予：DMA控制器检查是否可以访问总线如果没有其他设备正在使用总线，则控制器将授予DMA传输权限
3. 传输：DMA控制器执行数据传输过程，直接在内存与外设之间传输数据
4. 完成：传输完成后，DMA控制器会生成中断信号通知CPU此时，CPU可以处理传输后的数据

DMA的优势

• 减轻CPU负担：CPU可以将时间集中在计算和其他任务上，而不需要管理低效的数据传输操作
• 并行处理：DMA可以与CPU并行工作，CPU和DMA可以在同一时刻执行不同的任务，从而提高系统效率
• 高效传输：在大规模数据传输（如音视频流、网络传输等）中，DMA的效率要比传统的CPU控制的方式高得多

DMA的缺点

• 硬件需求：需要专门的DMA控制器，有时这可能增加硬件设计的复杂度和成本
• 可能的冲突：DMA控制器直接访问内存时，可能会与CPU访问内存发生冲突，特别是在高频繁数据访问的情况下。现代系统通过总线仲裁来解决这个问题
• 中断管理复杂：DMA传输完毕后需要通过中断通知CPU，这可能会带来中断处理的开销，尤其在高频率的传输中

DMA的实际应用

• 音视频数据传输：DMA常用于音视频设备中，大数据的传输速度要求非常高，CPU不可能直接参与每个数据的传输，因此使用DMA可以让外设与内存之间高效交换数据
• 网络数据传输：在网络芯片与内存之间的数据交换中，DMA大幅度提升了吞吐量
• 存储设备：如硬盘、固态硬盘（SSD）等设备的数据传输，也通常使用DMA来提升性能
• 嵌入式系统：在一些传感器数据读取、显示驱动等任务中，DMA也被广泛应用

面试题

1.有解决过CPU和DMA的问题吗？

• 回答解决使用DMA引入的缓存一致性问题

2.DMA使用的内存如何分配

• DMA必须使用连续的内存，所以得用kmalloc()或者dma_alloc_coherent()分配，不能用vmalloc()分配
• 用kmalloc()分配的内存时，要手动处理缓存一致性问题

IOMMU

IOMMU（Input–Output Memory Management Unit，输入输出内存管理单元）是一个专门用于外设（DMA 设备）的 地址转换与保护单元。它在现代操作系统和硬件平台中扮演着类似于 CPU MMU 的角色，但作用对象是外设的DMA访问

作用

功能	说明
地址转换（DMA remapping）	将外设发出的 DMA 虚拟地址（IOVA, I/O Virtual Address）转换为物理内存地址。设备可以使用 IOVA，就像 CPU 使用虚拟地址一样
隔离保护	防止外设访问不属于自己的内存区域，类似于 CPU 的内存保护，增强系统安全
支持虚拟化	在虚拟机环境中，IOMMU 可以让多个虚拟机安全地共享物理设备，同时每个虚拟机看到的 DMA 地址是虚拟化后的地址
扩展 DMA 能力	支持 64 位 DMA 地址、打破物理连续性限制；设备不再必须访问物理连续内存

• 打破物理连续性限制

  • 没有 IOMMU 时，设备进行 DMA 访问时必须访问物理连续内存，这在大内存、碎片化严重的系统中很难保证

  • 有了 IOMMU，设备可以访问 不连续物理页，IOMMU 会把连续的 IOVA 映射到实际的物理页

• 增加安全性

  • 防止 DMA 攻击（恶意设备或驱动访问任意内存）

  • 通过 IOMMU，可以只允许设备访问指定的内存区域

• 支持虚拟化

  • 虚拟机中的设备可以访问 DMA 虚拟地址

  • IOMMU 将这些地址映射到宿主机的物理内存，实现 DMA 隔离

工作原理

• 设备发出 DMA 请求，提供 IOVA（类似虚拟地址）
• IOMMU 查 页表，将 IOVA 转换为实际物理地址
• DMA 控制器通过物理总线访问物理内存
• CPU 也可以通过内核提供的接口管理 IOMMU 表