在一個SoC的系統(tǒng)結構設計中，除了硬件結構以外，軟件結構的設計對整個SoC的性能有很大的影響。

盡管硬件的結構設計無論對哪個公司來說都是一種挑戰(zhàn)，卻不能忽略系統(tǒng)級上的挑戰(zhàn)。

因為一個SoC產品不只包括硬件，而是軟件和硬件的結合。在很多的SoC中，軟件設計的復雜度和開發(fā)周期都要超過整個硬件的設計。軟件設計在很大程度上決定了SoC中硬件電路的性能發(fā)揮。

1.數(shù)據(jù)流的路徑

在很多嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流在硬件和軟件中的路徑?jīng)Q定了系統(tǒng)的效率和性能。

數(shù)據(jù)流的路徑通常是從數(shù)據(jù)位通過物理接口流入系統(tǒng)開始的， 并經(jīng)硬件設備輸入接口流入硬件設備輸入控制器 。軟件驅動程序將數(shù)據(jù)輸入操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構，然后再送入應用存儲器空間中。

應用程序間的通信直接通過 共享的全局存儲器交換數(shù)據(jù) ，或者 通過操作系統(tǒng)以消息的形式傳送數(shù)據(jù) 。

在輸出端，應用通常通過操作系統(tǒng)向設備驅動程序傳送數(shù)據(jù)， 它將數(shù)據(jù)輸入一個硬件輸出控制器 ， 然后通過操作系統(tǒng)向設備驅動程序傳送數(shù)據(jù) ， 經(jīng)硬件設備輸出接口傳出 。

2.軟件環(huán)境

SoC芯片中的軟件環(huán)境包括應用軟件的運行環(huán)境和應用軟件的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)環(huán)境包括應用軟件源代碼、編譯器、連接器、開發(fā)界面和硬件調試接口等。

其中，軟件源代碼位于開發(fā)環(huán)境的最上層，而調試接口則是環(huán)境中的底層。對于一個SoC來說，如果其中的處理器采用MIPS、ARM或Tensilica的處理器時， SoC上應用的開發(fā)者可以從提供商那里獲得開發(fā)環(huán)境，而不用自己去開發(fā) 。

這也是很多的就是解決方案，給你從芯片到帶著小系統(tǒng)的東西。

但即使標準的開發(fā)環(huán)境也從來都不是標準的。為了在新的系統(tǒng)中去實現(xiàn)包括更多新的功能，在每一個開發(fā)周期中，需要在開發(fā)環(huán)境中增加各種開發(fā)工具。

SoC中應用軟件的運行環(huán)境主要由

• 應用程序、
• 操作系統(tǒng)核心、
• 各種驅動、
• 芯片本身構成。

圖4-13所示為軟件的運行環(huán)境及開發(fā)工具。（對于一些 不太需要任務管理、資源管理及進程管理的應用 ，SoC也往往不會采用操作系統(tǒng)。想起了當時面試的時候面試官問我玩過一下操作系統(tǒng)沒，但當時都是玩的裸機。唯一一個也是基于協(xié)議棧的東西。）

在應用軟件運行環(huán)境的最上層是應用程序。應用程序實現(xiàn)了系統(tǒng)的各種特定應用，如音頻或視頻解碼等。應用程序之間可以通過某種標準接口（如網(wǎng)絡協(xié)議）進行通信。相同類型的應用可以在這種方式下獲得好處。

在這種消息傳遞中能夠實現(xiàn)可靠的接口，但會帶來性能的問題 。應用程序之間的通信也可以通過操作系統(tǒng)核心以存儲器共享的方式通信來提高速度。比如某一應用程序將一塊數(shù)據(jù)放到緩存中，并把指針傳遞給另一個應用軟件，但以這樣的方式交換數(shù)據(jù)往往也會帶來某些問題。

在應用程序的下一層是操作系統(tǒng)核心，負責任務的創(chuàng)建、任務的調度和存儲器管理等。

在操作系統(tǒng)的下一層由

• 各種I/O接口（如UART、USB、IDE、WLAN、LCD等）驅動、
• 硬件加速器驅動和
• 其他實現(xiàn)如異常處理、
• 中斷服務程序、
• 初始化、
• 復位及Bootloader等的系統(tǒng)軟件構成。

3.軟硬件接口

在一個真實的SoC系統(tǒng)結構設計中還必須考慮到軟硬件接口（Interface）。主要的軟硬件接口有：

• ①存儲空間映射（Memory Map），包括所有設備的可配置寄存器的地址映射；
• ②設備驅動；
• ③初始化、復位、Bootloader程序；
• ④中斷服務程序及中斷向量；
• ⑤I/O引腳的復用等。

這些是在系統(tǒng)結構設計時必須定義好的，在硬件設計時必須按照定義做，這樣才能保障系統(tǒng)軟件正常工作。

1.存儲空間映射

通常情況下，SoC中的各個片上模塊及與之通信的片外設備，如Flash及Flash控制器的寄存器、RAM及存儲器控制模塊中的寄存器，以及各種外設等， 均采用統(tǒng)一地址空間進行編址訪問，為每一個設備分配一定數(shù)量的地址空間的過程稱為存儲空間映射 。圖4-14所示為一款IBM的SoC的存儲空間映射的例子。

圖4-14 基于IBM的PLB和OPB總線協(xié)議的SoC的存儲空間映射實例

2.設備驅動

在SoC設計中，需要大量投資來開發(fā)設備驅動（I/O接口驅動、硬件加速器驅動），這是產品成功的關鍵。

設備驅動的作用是在操作系統(tǒng)內核與I/O硬件設備之間建立連接。

其目的是，對于軟件設計者而言，這個接口屏蔽了各類設備的底層硬件細節(jié)，使軟件設計者可以像處理普通文件一樣對硬件設備進行打開、讀寫、關閉等操作。

設備驅動主要完成的工作包括：

• 初始化（如設定傳輸率，定時器的周期等），
• 中斷服務處理（如對硬件中斷的處理），
• 輸入/輸出設備的接口服務（如啟動和停止定時器、DMA傳輸?shù)龋?/li>

操作系統(tǒng)提供商通常會提供常見設備的驅動包 。這些驅動程序可以作為參考設計，而實際上應用開發(fā)者還是需要做出大量修改。參考設計畢竟只是參考，最后的產品中很少完全使用參考設計。與桌面系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)與接口和應用密切相關，一個操作系統(tǒng)獲得成功很大程度上取決于各種最新驅動程序的可獲程度。

3.初始化、復位、Bootloader程序

SoC設計中的初始化程序主要負責整個SoC各個關鍵組件的初始化工作。

初始化

這些初始化工作主要包括：

• 初始化CPU內部的一些特殊寄存器、
• 初始化Cache參數(shù)、
• 初始化存儲器管理單元MMU（Memory Management Unit）、
• 初始化其他SoC組件（如URAT、Timer等）、
• 初始化設置中斷向量表等，
• 并開始執(zhí)行應用程序或操作系統(tǒng)。

復位主要是在上電時完成處理器、SoC芯片及整個系統(tǒng)的復位工作。

它使得CPU的指令指針指到某一個特定的存儲器地址，然后從這個地址取指并執(zhí)行一系列的復位中斷服務程序。

例如，一款IBM公司的PowerPC 405GP處理器在上電復位時，將從地址0XFFFFFFFC開始執(zhí)行相關的程序，而這段程序可能是在通過PCI連接的存儲器上。

復位

復位主要是在上電時完成處理器、SoC芯片及整個系統(tǒng)的復位工作。它使得CPU的指令指針指到某一個特定的存儲器地址，然后從這個地址取指并執(zhí)行一系列的復位中斷服務程序。

例如，一款IBM公司的PowerPC 405GP處理器在上電復位時，將從地址0XFFFFFFFC開始執(zhí)行相關的程序，而這段程序可能是在通過PCI連接的存儲器上。

Bootloader

Bootloader是在操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一小段程序。

通過這部分程序，設計者可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，從而建立適當?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調用操作系統(tǒng)內核做好準備。

Bootloader的主要運行任務就是將內核映象加載到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，即開始啟動操作系統(tǒng)。

Bootloader是基于特定硬件平臺來實現(xiàn)的，因此，幾乎不可能為所有的SoC建立一個通用的Bootloader。Bootloader不但依賴于處理器的體系結構，還依賴于SoC中各設備模塊的配置。

因此一般交付的時候芯片廠商會將芯片和Bootlloader一起交付，同時一些安全的啟動方案就在這個地方會出現(xiàn)。

4.中斷服務程序及中斷向量

當處理器正在處理內部數(shù)據(jù)時，外界發(fā)生了緊急情況，要求處理器暫停當前的工作轉去處理這個緊急事件。

處理完畢后，再回到原來被中斷的地址，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷，而對于緊急事件的處理程序稱為中斷服務程序。

各類中斷服務程序的入口地址均存放在中斷向量表中。

5.I/O引腳的復用

I/O引腳的數(shù)量將影響到芯片乃至系統(tǒng)板的面積。 通常為了減小面積會將兩個或兩個以上不在同一個時間使用的不同功能的I/O引腳進行復用。

例如，用在測試時的掃描鏈信號引腳與正常使用時的UART模塊的引腳復用。

6.模型

為了能及時開發(fā)出目標系統(tǒng)所需要的軟件，在SoC芯片能夠獲得之前，需要有一種SoC模型來開發(fā)和運行軟件。

以前， SoC模型通常是基于FPGA的 。隨著電子系統(tǒng)級設計的發(fā)展，一種虛擬的仿真模型出現(xiàn)了。仿真模型的速度雖然相對實際芯片要慢一些，但可以更早地展開軟件的開發(fā)，而且隨著服務器等處理速度的提高，相對來說提高了仿真模型的速度。

這里也就是原型驗證的意義所在。

隨著SoC設計中越來越多地使用多核，軟件開發(fā)環(huán)境需要為應用開發(fā)者提供新的編程模型。

比如，在每一個獨立的處理器上運行標準的操作系統(tǒng)，這樣可以為應用開發(fā)者提供相當?shù)撵`活性。但應用開發(fā)者要面臨著協(xié)同這些處理器中的所有任務的問題。

而更加普遍的做法或許是，為開發(fā)者提供一個多處理器多線程的開發(fā)模型，每一個線程映射到不同的獨立處理器上。

這種模型限制了對每個處理器的訪問，卻降低了在應用層可能發(fā)生的同步問題。

這些編程模型只是為處理器提供通用的開發(fā)環(huán)境，而實際的芯片是一個更大并包括復雜通信的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)需要在開發(fā)環(huán)境中被建模。

軟件的復雜性正在不斷地增長，并且軟件通常能夠更好地處理復雜性的問題。軟件系統(tǒng)的功能和復雜性的進一步發(fā)展也使得SoC設計方法學的極限得以擴展。