计算机网络设计 【博文连载】一图读懂SoC设计与计算机网络

上一篇博客讲的是SoC设计，感觉并不过瘾。这次我要好好看看SoC设计，我要讲清楚几个核心问题。

想要把SoC解释清楚，需要找一个好的“教材”或者参考。但是，很遗憾，没有一本教科书能真正把SoC解释清楚。我看了很多年的论文，大概有上百篇和SoC相关的论文。但是一般的论文不是太复杂就是太抽象。看了这么多论文，我觉得一篇论文是谈论SoC最好的方式。这是复旦大学曾晓阳教授(项目直接负责人应为陈云副教授)2012年在ASP-DAC上发表的论文《CMMB接收机用60 MW基带SOC》。本文有一个图表，对SoC的基本结构和设计方法非常直观清晰。而且本文还是面向CMMB(中国曾经推出的移动数字电视的协议)接收机，也体现了如何实现一些计算机网络协议的思路。

曾教授是我妻子的博士生导师，也是我研究SoC设计的带头人之一。这些年曾教授给了我很多帮助和指导。所以，在讲这篇论文之前，还是要做好准备，以免讲错或者讲不好。

所以，你可以自己搜索这篇论文，提前做好准备。

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首先，本文使用的图片来自论文《CMMB接收机用60 MW基带SOC》。作者是传武、曹家林、鲍丹、陈云(陈云副教授)、肖扬(曾晓阳教授)，作者是复旦大学专用集成电路国家重点实验室。图片版权归原作者所有。如需技术合作，请直接联系原作者。

开始上图！

从这张图可以清楚的看到，这张图分为三个部分。模拟部分是一个混合模拟/数字模拟电路，包括两个10位模数转换器和用于生成时钟信号的锁相环。两个ADC的作用是实现IQ调制的IQ信号从数字到模拟的转换。关于智商调制的介绍，请看我的博客:

http://blog.chinaaet.com/molf/p/29748

第二部分是基带处理器。其实严格来说，它不是处理器，而是基带信号处理的硬件IP。从左到右，具有混频、符号同步、信道估计、均衡、解映射、信道解码等功能。学过通信原理的朋友应该知道，这是一个数字接收机需要做的基本处理。

第三部分是用于媒体访问控制层的32位精简指令集处理器。这显然是一个以32位RISC CPU为核心的嵌入式微处理器，也可以说是一个简单的SoC。

就是这样，仿佛“平平淡淡”。所以，当然不会就这样结束。接下来我们再从SoC和计算机网络的角度来看这个图。

从SoC的角度，首先关注这个地方:

这叫做共享静态随机存储器，也就是共享静态随机存储器。谁和谁来分享这个分享？由基带IP和RISC处理器共享。所以这个SRAM可以看作是双口RAM(不一定用双口RAM实现)。一方面，基带在各种信号处理和信道解码后写入恢复的数据。在另一端，CPU可以通过片上总线读出数据，然后再进行下一步处理。

我们来看看RISC处理器。

从CPU的角度来说，这个Share SRAM和其他常见的片上SRAM是一样的。它们都占用某个地址空，并且总是可以读写。但是这个共享静态随机存储器中的数据有特定的含义和结构。由于该接收机面向CMMB标准，经过一系列的通信信号处理，最终应该得到符合CMMB标准的数据帧。这些数据帧必须由页眉和页脚控制字和加载数据组成。CPU的作用是在指令驱动下分析这些接收到的数据帧，并根据分析结果控制下一步动作。

最终解析的数据将通过SDIO和串行接口传输到外部视频解码器。视频解码器将数据解码并恢复为图像信号，然后在显示设备上播放分析后的图像信号。按照CMMB协议完成接收信号的全过程。

以上是从SoC的角度看SoC行动的全过程。

但是，仅仅从SoC的角度，我们只能大致说出SoC的整个运行过程。仅仅了解如何设计一个SoC芯片是远远不够的。我们将从计算机网络协议的角度来看这个问题。

从计算机网络的角度应该怎么想？让我们回顾一下SoC是什么。该SoC的功能可通过下图进行简要描述:

简单来说，SoC芯片将射频接收芯片接收到的CMMB协议格式的模拟信号转换成SDIO协议格式，经过一系列处理后发送给图像解码芯片。这个过程本质上意味着协议转换的功能。

如何实现协议转换？这就涉及到计算机网络，OSI七层模型等等。

或者上图。

OSI七层模型，相信学过计算机网络的同学应该懂。当年作为通信工程专业的毕业生，七层模型倒着背(当然忙的时候也能背)。

但是如果倒背如流呢？还是不明白里面的真正含义。XX层是什么，为什么要分层，这一层是硬件还是软件？不清楚。

其实在计算机网络中，两个核心概念都与分层有关。一个叫等价，一个叫服务。对等意味着通信过程可以抽象为对等实体之间的交互操作。交互操作依赖于下层的支持，称为服务。

底层为上层提供的服务需要以某种方式使用，这就是所谓的“服务接入点”

示意图应该如下所示:

比如传输层的设计，就考虑了如何与通信另一方的传输层进行交互。传输层中的典型实现是流量控制、服务质量等等。它是两个传输层之间的协调操作。

然而，为了实现这些操作，传输层必须由下层支持。最起码要完成包裹的正常投递和验收，所以这需要服务。并以合理的方式使用这些服务，这就是所谓的服务接入点。

那么，在这个SoC案例中，层、服务和服务访问点在哪里？

我们再回到这张图:

从SoC的角度来说，它是总线和IP核之间的接口，是CPU通过总线读取IP核处理的数据的通道。

从计算机网络的角度来说，这就是服务接入点。它是物理层为数据链路层提供服务的接入点。数据链路层以软件的形式存在，通过读写静态随机存储器来使用物理层的服务，也通过这个静态随机存储器来控制物理层。至于实行了哪些控制，就要细说很多了。大概提到了无线信道占用可以通过控制收发机状态来控制，也就是媒体访问控制(MAC)。

这是硬件的服务接入点，对软件来说比较简单。可以直接抽象为函数。参数被传入，结果被读出。正是因为很多实用的协议栈通常都在软件层面，所以很多人认为协议是一种特殊的软件。还有以前一个学校的老教授(忘了是哪个学校了，如果记得的话，不方便说)。我问能不能重新下载软件，让Zigbee变成蓝牙。大家都在2.4G频段工作...

最后，通过SDIO发送解析数据的过程可以用这个图来说明。

将按照协议栈1打包的信号逐层解析，最后还原为内部数据。然后以另一种协议格式重组数据，转换格式，再通过接口传输。这实现了某种形式的协议转换。在这个足球比赛的例子中，CMMB被转移到SDIO并上传

当然也可以不恢复图层的原始数据，而是对半转换。然后需要在解码芯片上实现CMMB协议栈的一部分。这个设计不能说没有，但是真的很诡异。

今天就讲到这里。SoC设计是一个很大的课题。希望今天的讲座能让你对SoC设计有一个全面的了解。最后，再多说两句。从今天的例子中，我们可以看到SoC设计是一个非常广泛的问题。不是说你会写几行Verilog。这需要从应用、系统架构、IP和接口设计、算法实现等一系列工作。对于想从事这个方向的研究和工作的同学来说，要算数，要有准备。同时也要权衡自己是否真的愿意把自己的青春交给这样一个方向。

接下来我就填坑看一部关于技术“气路”的电影，因为现在优酷上的“暗战”可以免费看了。

您可以先预览电影:

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