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本博文内容导读

1、当前嵌入式系统的发展情况,分析SoC作为物联网开发的重要技术,是未来物联网发展重要方向。

2、介绍SoC系统的组成和系统特点,了解SoC打下SoC基础。

3、介绍基于ESP32的SoC系列开发板,ESP32开发的系统功能进行总结。

System on Chip(SoC),即片上系统,是嵌入式系统发展到高级阶段的结果,技术上领先,性能上优越。 SoC的迅速发展为专业应用提供了强大的技术基础,具有灵活、高效、高性价比的优点,是万物互联时代的重要技术应用方向,未来更加广泛地应用于生产生活中。 它是针对特定需求,满足特定功能的计算机软件和硬件的集合体,具有软硬件可裁剪性,适应专业应用系统的功能、性能的专用计算机系统。 从狭义角度讲,SoC是将信息系统核心部件集成在一块芯片上。从广义角度讲,SoC是一个微小型系统,不仅包括微处理器,而且包括模拟IP核、数字IP核和存储器集成在单一芯片上,可以客户定制,也可以面向特定用途。

功能设计:电路依据产品的应用场景,设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等,进一步规划软件模块及硬件模块划分,哪些功能整合于SoC内,哪些功能设计在电路板上。 设计描述和行为验证:设计完成后,可以将SoC划分为若干功能模块,并实现这些功能要使用的IP核。此阶段直接影响了SoC内部的架构及各模块间传送的信号,以及未来产品的可靠性。确定模块之后,可以用VHDL或Verilog等硬件描述语言实现各模块的设计。最后,使用VHDL或Verilog的电路仿真器,对设计进行功能验证或行为验证。 逻辑综合:确定设计描述正确后,可以用逻辑综合工具进行操作,选择适当的逻辑器件库,作为合成逻辑电路时的参考依据,得到门级网表。 门级验证:门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求,该工作一般利用门电路级验证工具完成。

在SoC系统硬件组成中,包括微处理器CPU,一般采用精简指令集;存储器包含缓存、主存储器和辅助存储器;通用设备接口和I/O接口。在SoC系统软件组成中,包括中间层,是设备驱动程序和板级支持包;系统层,是实时操作系统;应用层,是具体的应用程序。

SoC结构与特点

SoC基本特点:

•内核小。SoC系统一般是应用于小型电子装置的,资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小。

•专用性。SoC系统和硬件的结合紧密,一般硬件系统要进行的移植,即使同一品牌、同一系列的产品中也需根据系统硬件的变化和增减进行修改。同时,不同的任务,需要对系统进行较大更改,程序的编译下载需与系统相结合,这种修改和通用软件的升级是不同的。 •集成化。SoC没有系统软件和应用软件的明显区分,功能设计及实现上简单集成,一方面利于控制系统成本,另一方面有利于实现系统安全。 •实时性。SoC软件的基本要求是高实时性的系统软件。软件要求固态存储,提高速度; 软件代码要求高质量和高可靠性。

多任务。SoC软件未来的发展是使用多任务的操作系统。系统的应用程序可以没有操作系统直接运行;但是为了调度多任务、利用系统资源、系统函数以及与专家库函数接口,用户需自行选配RTOS开发平台。

•可测性。SoC需要有一套开发工具和环境,工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等,具有可测性。

•长期性。与具体应用有机结合在一起,升级换代同步进行。因此,SoC系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。 •可靠性。为提高运行速度和系统可靠性,SoC系统中的软件一般都固化在存储器芯片中。

•可裁剪。尽管系统支持提供统一的开放接口,但是要求系统具有开放性和可伸缩性的体系结构和良好的可移植性。

ESP32系列SoC

      ESP32系列芯片是集成2.4GHz WiFi和蓝牙双模的单芯片方案,采用超低功耗的40纳米工艺,具有超高的射频性能、稳定性、通用性和可靠性,以及超低的功耗,适用于各种应用场景。         主要包括:核与存储器、RTC、WiFi、BT、RF、外部接口和密码软件加速器。

其主要特点:

1.超低功耗。在低功耗物联网传感器集中应用场景中,ESP32只有在特定条件下才会被周期性地唤醒。低占空比可以极大降低ESP32芯片的能耗。射频功率放大器的输出功率也可调节,以实现通信距离、数据率和功耗之间的最佳平衡。

2.高集成度。ESP32采用CMOS工艺实现单芯片集成射频和基带,还集成了先进的自校准电路,实现了动态自动调整,可以消除外部电路的缺陷,更好地适应外部环境的变化。

ESP32主要的功能

 1.WiFi主要功能。        

无线多媒体;帧聚合;立即块回复;重组;自动监测;4个虚拟WiFi接口;支持基础结构型网络Station模式/SoftAP 模式/混杂模式,ESP32在Station模式下扫描时,SoftAP信道会同时改变;天线分集。

2.蓝牙主要功能。        

蓝牙v4.2完整标准,包含传统蓝牙和低功耗蓝牙;支持标准Class-1、Class-2和Class-3,且无须外部功率放大器;增强型功率控制;输出功率高达+12dBm;接收器具有–94dBm的低功耗蓝牙接收灵敏度;自适应跳频;基于SDIO/SPI/UART接口的标准人机交互;高速UART人机交互,最高可达4Mbit/s;•支持蓝牙4.2传统蓝牙和低功耗蓝牙双模控制器;同步面向连接/扩展同步面向连接;支持音频编解码算法;蓝牙微微网和散射网;支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的多设备连接;支持同时广播和扫描。

3.CPU和存储功能。        

Xtensa® 32位LX6单/双核处理器,运算能力高达600MIPS;448KB ROM;520KB SRAM;16KB RTC SRAM;QSPI支持多个Flash/SRAM。

4.时钟和定时器功能。        

内置8MHz振荡器,支持自校准;内置RC振荡器,支持自校准;支持外置2MHz~60MHz的主晶振(如果使用WiFi/蓝牙功能,则目前仅支持40MHz晶振);支持外置32KHz晶振,用于RTC,支持自校准;2个定时器群组,每组包括2个64位通用定时器和1个主系统看门狗;1个RTC定时器;RTC看门狗。

5.高级外设接口功能。        

34个GPIO引脚;12位SAR ADC,多达18个通道;2个8位D/A转换器;10个触摸传感器;4个SPI;2个I2S;2个I2C;3个UART;1个主机SD/eMMC/SDIO;1个从机SDIO/SPI;专用DMA的以太网MAC接口,支持IEEE 1588;双线汽车接口;IR(TX/RX);电机PWM;LED PWM,多达16个通道;霍尔传感器。

6.安全机制。        

安全启动;Flash加密;1024位OTP,用户可用的高达768位;加密硬件加速器:AES/Hash(SHA-2)/RSA/ECC/随机数生成器。

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