超大规模集成电路设计笔记：第五篇
SoC总线
- 总线提供了系统中各个设备之间一种互连的访问共享硬件机制
- 在数字系统中，总线承担数据传输任务，如处理器和存储器之间的数据传输
- 总线的传输能力由总线的带宽和工作频率决定
- 总线的设计通常要考虑4个因素：总线宽度、时钟频率、仲裁机制和传输类型
常见的总线有：
- AMBA：ARM公司定义的总线体系，广泛用于嵌入式SoC，包括 AHB、APB、AXI 等多个子协议
- OCP：开放式核心接口协议，模块化设计，适合IP核集成
- Wishbone：由OpenCores定义的开源SoC总线，简单易用，适合教学或FPGA设计
- Avalon：原Altera公司定义的片上总线协议
AMBA
常见IP
SoC中的常见IP包括：中断控制器、实时时钟、SPI、定时器、看门狗等。
一个完整的 SoC 通常包含如下模块（IP）：
1 | ┌──────────────────────────┐ |
中断控制器
中断控制器（Interrupt Controller）是 SoC中用于管理和分发中断请求（IRQ）的关键模块，直接影响系统的实时性和响应能力。
- RISC-V：CLIN、PLIC
- ARM：NVIC、GIC
- x86：APIC
实时时钟 RTC
RTC（Real-Time Clock，实时时钟）是SoC中用于提供精确时间和日历功能的独立模块，即使在系统断电时也能持续运行（通常依靠备用电池供电）。RTC拥有报警功能，当达到所需的日期或时间时，可以用来触发中断（唤醒）。
SPI
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）允许与外围设备的全双工同步串行通信。
定时器与看门狗
Timer（定时器）和Watchdog（看门狗）是两种关键的外设模块，分别用于时间管理和系统可靠性保障。它们都基于计时原理，但用途完全不同：
- 定时器用来“计时与触发事件”；
- 看门狗用来“监控系统运行是否卡死”。
PMC
PMC（Power Management Controller） 是SoC中负责电源管理、功耗控制、时钟分配和系统唤醒的核心模块，直接影响芯片的能效比和续航能力。主要通过电源管理、时钟管理、软件管理等方式来达到控制功耗的目的。
| 模式 | 功耗 | 唤醒延迟 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| Active | 高 | 无 | CPU全速运行任务。 |
| Idle | 中 | 微秒级 | 等待中断（如手机待机）。 |
| Standby | 低 | 毫秒级 | 仅保留SRAM和RTC（如IoT设备）。 |
| Off | 极低 | 秒级 | 完全断电，需硬件复位唤醒。 |
DMAC
AMD反插
DMAC（Direct Memory Access Controller） 是SoC中用于在不占用CPU资源的情况下，实现外设与内存（或内存与内存）之间高速数据传输的硬件模块。它显著提升系统效率，尤其适用于大数据量、实时性要求高的场景（如音视频处理、网络通信）。
DMAC一般包括如下模块：
- 通道控制器：每个通道独立配置源地址、目标地址、传输长度等参数
- 仲裁器：管理多个通道的优先级（固定优先级或轮询）
- 数据FIFO：缓冲数据，解决源/目标设备速度不匹配问题
- 寄存器组：存储控制参数（如传输模式、中断使能）
- 总线接口：连接系统总线（如AXI、AHB），访问内存和外设
中断与异常
中断机制和异常机制即在中断和异常发生时，处理器将暂停当前正在执行的程序，转而执行中断和异常处理程序，返回时处理器恢复之前被执行的程序。对于处理器而言，中断和异常的处理机制基本上一样，因此合称广义异常。
异常可分为两类：
- 同步异常：原因可以精确定位到某一条执行指令，由当前正在执行的指令本身直接引起的异常。
- 异步异常：每次发生时指令的PC可能不一样，例如中断便是一种异步异常
- 精确异步异常：在响应异常后的处理器状态能够精确反映为某一条指令的边界
- 非精确异步异常：在响应异常后的处理器状态无法精确反映为某一条指令的边界
flowchart TD
A[正常执行:
PC 指向当前指令] --> B{是否发生
异常/中断?}
B -- 否 --> A
%% 进入异常
B -- 是 --> C[硬件捕获异常]
C --> D[保存现场到 CSR]
D -->|mepc ← 触发时的 PC
mcause ← 异常原因
mtval ← 异常相关值（可选）
mstatus ← 更新 MIE→MPIE、切换特权级| E
E --> F[PC ← mtvec（陷入入口）]
F --> G[开始执行
异常/中断处理程序]
%% 处理过程
G --> H{处理完成
并准备返回?}
H -- 否 --> G
%% 退出异常（机器模式）
H -- 是 --> I[执行 MRET 指令]
I --> J[硬件恢复状态]
J -->|PC ← mepc
mstatus ← 恢复 MPIE→MIE 等| K[返回到
被中断/异常的程序]
K --> A
蜂鸟E203的中断处理
E203在处理器顶层接口中有4根中断输入信号，分别是软件中断、计时器中断、外部中断和调试中断。CLINT模块产生一根软件中断信号和一根计时器中断信号，通给蜂鸟E203处理器；PLIC模块接入多个外部中断源，将其仲裁后生成一根外部中断信号，通给蜂鸟E203处理器。SoC层面的调试模块生成一根调试中断，通给蜂鸟E203处理器核。所有的中断信号均由E203的交付模块进行处理。
CLINT
CLINT（Core Local Interrupts Controller，核心本地中断控制器）是一个存储器地址映射的模块，挂载在蜂鸟E203 BIU上，用于产生软件中断和定时器中断。CLINT计时器根据低速输入节拍信号（来自电源常开域）进行计时，上电后默认一直计数，可通过蜂鸟E203自定义CSR寄存器mcounterstop来关闭。
PLIC
PLIC（Platform Level Interrupt Controller，平台级中断控制器）是一个存储器地址映射的模块，挂载在蜂鸟E203 BIU上，专门用来管理外部中断源，并将它们统一分发到处理器。
异常处理实现
蜂鸟E203交付模块对中断和异常的处理：
- 优先级：长指令造成的异步异常 > 中断造成的异步异常 > ALU造成的同步异常
- 异常一旦发生，便会冲刷流水线，重新从新的PC地址开始取指令
mret指令会触发处理器退出异常模式，被当作一种跳转指令来执行，跳转PC为mepc寄存器值- 对于同步异常，
mepc寄存器更新为当前正在交付指令的PC值 - 对于精确异步异常（中断），
mepc寄存器更新为下一条待交付指令的PC值 - 对于非精确异步异常（长指令），
mepc寄存器更新为发生异常指令的PC值
蜂鸟E203的调试机制
处理器对于运行于其上的软件程序提供调试能力是至关重要的。调试机制是个非常复杂的软硬件协作机制，软硬件的实现难度很大。对于处理器的调试功能而言，常用的两种是“交互式调试”和“追踪调试”：
- 交互式调试（Interactive Debug）是最常见的调试功能。调试器软件（如GDB）能够直接对处理器取得控制权，进而对其以一种交互方式进行调试，缺点是对处理器的运行具有打扰性。
- 追踪调试（Trace Debug）只跟踪记录处理器核执行过的所有程序指令，而不会打断干扰处理器的执行过程。相比交互式调试，实现难度更大，硬件开销也更大。
调试资源
E203中已有 DTM（Debug Transport Module）将JTAG标准接口转换成为内部的调试总线（Debug Bus），主要是使用状态机对JTAG协议进行解析。由于DTM模块处于JTAG时钟域，与调试总线要访问的调试模块不属于同一个时钟域，因此需要被同步。
此外，还有调试模块（Debug Module），实现了RISC-V调试文档“0.11版本”中定义的若干寄存器、Debug-ROM和Debug-RAM。这些资源既可以被调试总线访问到，也可以被系统存储总线访问到：
- Debug-ROM包含了处理器进入调试模式下需要执行的异常处理程序；
- Debug-RAM主要在运行Debug-ROM中固定异常处理程序时作为数据段使用，用于存放一些临时数据和中间数据。
调试流程
调试机制指令的实现：
- ebreak：触发处理器进入异常模式（调试模式）
- 调试中断一旦被接收，便会冲刷流水线，处理器PC跳转到
0x800地址 - CSR寄存器dpc的值更新为当前正在执行的指令PC
- CSR寄存器dcsr的
cause域值更新为引发进入调试模式的触发原因
- 调试中断一旦被接收，便会冲刷流水线，处理器PC跳转到
- dret：触发处理器退出异常模式（调试模式）
- 被当作一种跳转指令来执行，跳转PC为CSR寄存器dpc的值
- 将dcsr寄存器中的
cause域清除
未来：超越摩尔定律
DSA（Domain-Specific Architecture，领域专用架构）方面：
- 使用专用内存以最大限度地减少数据移动
- 将资源投入到更多的运算单元或更大的内存中
- 使用与域匹配的最简单的并行形式
- 将数据大小和类型减少到域所需的最简单程度
- 使用域特定的编程语言
