專利名稱：能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子集成電路領(lǐng)域，是有關(guān)一種能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有的微處理器一般都不是針對(duì)特定的操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)設(shè)計(jì)的，一般片內(nèi)只有少量的RAM，沒(méi)有ROM。要使用這樣的通用的微處理器構(gòu)成一個(gè)能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)的微處理器系統(tǒng)，需要在微處理器以外擴(kuò)展足夠數(shù)量的ROM和RAM以及其它外部接口器件。這樣的通用的微處理器與ROM、RAM外圍芯片組裝在電路板上，芯片間用導(dǎo)線連接在一起。
這種通用的微處理器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是從硬件的角度考慮，而從軟件和應(yīng)用的角度考慮較少，更不是針對(duì)特定的操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)設(shè)計(jì)的。其設(shè)計(jì)思想是，用戶的應(yīng)用需求差別非常大，需要的存儲(chǔ)器如ROM、RAM的數(shù)量以及其它外部接口的種類和數(shù)量都無(wú)法確定，所以存儲(chǔ)器應(yīng)該放在微處理器芯片之外，由用戶決定需要的存儲(chǔ)器如ROM、RAM的數(shù)量以及其它外部接口的種類和數(shù)量。這種設(shè)計(jì)思想是要以一種通用的微處理器結(jié)構(gòu)盡可能多地滿足不同種類的用戶的應(yīng)用需求，所以這種通用的微處理器芯片上只包含大多數(shù)應(yīng)用所需的通用的部件，如ALU、寄存器組、CACHE、存儲(chǔ)器控制器等，用戶需要根據(jù)自己所要采用的操作系統(tǒng)和特定的應(yīng)用需求，在外部擴(kuò)展其所需要數(shù)量的ROM和RAM以及其它外部接口器件，多個(gè)芯片組合在一起才能構(gòu)成一個(gè)可以使用的系統(tǒng)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是非常靈活，可以適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用，其中所要用到的ROM、RAM的數(shù)量以及外設(shè)(如通信接口)的種類和數(shù)量是由應(yīng)用來(lái)決定的。
隨著INTERNET的發(fā)展，以Linux或者Windows CE為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越普遍。這類應(yīng)用的操作系統(tǒng)是確定的，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的資源(如CPU的性能、ROM和RAM的數(shù)量)較少，能夠在ROM和RAM中裝載和運(yùn)行。在許多應(yīng)用場(chǎng)合尤其是嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)占有的資源如ROM和RAM的數(shù)量、微處理器的運(yùn)行時(shí)間等都是最大的，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于應(yīng)用程序所占有的資源。所以，在這樣的針對(duì)特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)的應(yīng)用中，CPU的性能、ROM和RAM的數(shù)量等是基本確定的，有時(shí)候外部接口的種類和數(shù)量也是確定的。這就需要一種集成了CPU、ROM、RAM以及其它外部接口(如總線接口、通信接口)的單芯片系統(tǒng)，它是針對(duì)特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)設(shè)計(jì)的，它能夠直接運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)及用戶應(yīng)用程序而無(wú)須擴(kuò)展外部ROM和RAM等芯片。
但目前并沒(méi)有這樣的單芯片系統(tǒng)，而都是使用通用的微處理器外加存儲(chǔ)器ROM、RAM和其它芯片構(gòu)成一個(gè)微處理器系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行這類操作系統(tǒng)，多個(gè)元件安裝在電路板上，元件之間用導(dǎo)線連接在一起。這樣的系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn)(1)集成度低，需要多個(gè)芯片才能夠組成一個(gè)可以使用的系統(tǒng)。
(2)系統(tǒng)性能受限制。多個(gè)元件需要安裝在電路板上，多個(gè)元件之間需要導(dǎo)線連接在一起，這比單一芯片內(nèi)各個(gè)部件間的導(dǎo)線連接長(zhǎng)度要長(zhǎng)許多，與導(dǎo)線長(zhǎng)度相關(guān)的分布參數(shù)如分布電容和分布電感的值相對(duì)較大，限制了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，從而使系統(tǒng)性能受限制。
(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。現(xiàn)代微處理器系統(tǒng)工作頻率很高，所用到的外圍器件如存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)器件也都是工作在很高頻率上的復(fù)雜器件，把很多個(gè)這樣的器件組合在一起構(gòu)成一個(gè)可用的系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)難度很大，軟件編程如初始化程序和特定操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的編程也很困難。
(4)成本高。實(shí)現(xiàn)同一功能，由多個(gè)芯片完成其成本一般高于單芯片系統(tǒng)。一般的微處理器其與外部存儲(chǔ)器接口的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線往往占據(jù)芯片引腳數(shù)目中非常大的一部分，芯片引腳數(shù)目很多，成本高。
發(fā)明創(chuàng)造的目的針對(duì)目前技術(shù)的缺點(diǎn)，我們提出一種能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)的單芯片系統(tǒng)，這種芯片設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是針對(duì)特定操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的單芯片系統(tǒng)，而不是像現(xiàn)有通用微處理器那樣要盡可能多的滿足不同種類的應(yīng)用需求。由于操作系統(tǒng)和應(yīng)用是基本上確定的，所以系統(tǒng)需要用到的存儲(chǔ)器數(shù)量和種類以及外設(shè)的種類都是基本確定的，這樣就可以把微處理器、足夠數(shù)量的ROM、RAM、各種外設(shè)以及總線接口部件等都集成到一塊芯片，操作系統(tǒng)可以在制造芯片時(shí)寫(xiě)入到ROM中，或在芯片交付用戶后，由用戶通過(guò)JTAG接口或其它通信接口部件裝載到芯片內(nèi)的可擦寫(xiě)ROM中。芯片復(fù)位之后，特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序被轉(zhuǎn)移或者解壓縮到易失存儲(chǔ)器(RAM)中運(yùn)行，也可以在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中直接運(yùn)行。這樣的單芯片系統(tǒng)是為裝載和運(yùn)行特定的一種或幾種操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)而設(shè)計(jì)的，裝載和運(yùn)行這樣特定的一種或幾種操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)所需要的資源(ROM、RAM的數(shù)量、微處理器的處理能力等)一般比較大，大大超出了目前的單芯片的通用微處理器所擁有的資源，因而無(wú)法在目前已有的單芯片的通用微處理器上實(shí)現(xiàn)。而在根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的單芯片系統(tǒng)上則能夠?qū)崿F(xiàn)。
這樣一個(gè)單芯片系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)是提供一種系統(tǒng)，它能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)。
這樣一個(gè)單芯片系統(tǒng)的另一個(gè)目標(biāo)是單一芯片上包含足夠數(shù)量的存儲(chǔ)器(ROM和RAM)，在這個(gè)單芯片系統(tǒng)之外無(wú)須擴(kuò)展ROM或RAM，能夠在單一芯片上實(shí)現(xiàn)其硬件和軟件功能。
這樣一個(gè)單芯片系統(tǒng)的另一個(gè)目標(biāo)是單一芯片上包含接口模塊，用戶在需要的時(shí)候能夠通過(guò)總線接口部件擴(kuò)展其所需要的功能，或者通過(guò)外圍接口部件與其它系統(tǒng)交互。
發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微處理器模塊101，用于將特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序由ROM轉(zhuǎn)移到RAM，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者將ROM中以壓縮形式存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序解壓縮到RAM中，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者直接在ROM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，如圖2所示；ROM102，用于存儲(chǔ)特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；RAM103，用于存儲(chǔ)和在其中運(yùn)行由ROM轉(zhuǎn)移而來(lái)的特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；接口模塊104，用于與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口；ROM102、RAM103、接口模塊104通過(guò)總線105與微處理器模塊101相接，單芯片系統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路片基或芯片上。
這樣的單芯片系統(tǒng)100是為裝載和運(yùn)行特定的一種或幾種操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)而設(shè)計(jì)的，由于操作系統(tǒng)是確定的，所以運(yùn)行操作系統(tǒng)需要用到的資源(如ROM 102和RAM 103的大小、CPU的性能等)就可以確定。另外需要考慮運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序所需資源的大小，很多應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用程序相對(duì)操作系統(tǒng)而言占有的資源較少，甚至可以忽略，而在有些應(yīng)用場(chǎng)合如具有圖形用戶界面(GUI)的應(yīng)用，應(yīng)用程序相對(duì)操作系統(tǒng)而言占有的資源較多。在綜合考慮了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序所需的資源之后，一個(gè)為裝載和運(yùn)行特定的一種或幾種操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)和應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的單芯片系統(tǒng)100的各個(gè)組成部分的參數(shù)(如CPU的性能、ROM 102和RAM 103的類型和數(shù)量等)就能夠確定下來(lái)。
圖1是本發(fā)明的原理圖；圖2是操作系統(tǒng)和用戶的應(yīng)用程序的啟動(dòng)和執(zhí)行流程圖；圖3是多CPU微處理器模塊原理圖；圖4是多微處理器模塊原理圖；圖5是另一種微處理器模塊原理圖；圖6是本發(fā)明的實(shí)施例原理圖。
下面結(jié)合


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如圖1所示，能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微處理器模塊101，用于將特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序由ROM轉(zhuǎn)移到RAM，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者將ROM中以壓縮形式存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序解壓縮到RAM中，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者直接在ROM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，如圖2所示；ROM102，用于存儲(chǔ)特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；RAM103，用于存儲(chǔ)和在其中運(yùn)行由ROM轉(zhuǎn)移而來(lái)的特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；接口模塊104，用于與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口；ROM102、RAM103、接口模塊104通過(guò)總線105與微處理器模塊101相接，單芯片系統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路片基或芯片上。
微處理器模塊101可以由一個(gè)單一的CPU組成，所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100就是一個(gè)單處理器系統(tǒng)。
微處理器模塊也可以由多個(gè)CPU 301及一個(gè)仲裁和控制單元302組成，如圖3.所示。仲裁和控制單元302用于控制各個(gè)CPU 301使它們協(xié)同工作，多個(gè)CPU 301共用ROM 102和RAM 103。這時(shí)所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100就是一個(gè)多處理器系統(tǒng)。這個(gè)多處理器系統(tǒng)在單芯片上實(shí)現(xiàn)，并能夠在單芯片上裝載和運(yùn)行支持多CPU的特定操作系統(tǒng)(如Linux)。
微處理器模塊101中用到的CPU的種類(CISC還是RISC、16位、32位還是64位等)沒(méi)有限制。它可以是已有的由CPU設(shè)計(jì)廠家如ARM Corp.、MIPS Corp.等授權(quán)(license)的一個(gè)IP(IntellectualProperty)核(core)，也可以是重新設(shè)計(jì)的一個(gè)新的CPU類型。CPU必須有足夠的性能能夠運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux、Windows CE等)。
ROM 102可以是不可改寫(xiě)的ROM或者一次性可編程ROM，也可以是可擦寫(xiě)的如Flash Memory、EEPROM等。這取決于成本的要求和應(yīng)用的類型?？刹翆?xiě)ROM實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本更高。綜合考慮成本和不同應(yīng)用的特點(diǎn)，ROM 102可以有以下3種不同實(shí)現(xiàn)方式(1)對(duì)于那些日后不需要改動(dòng)或升級(jí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的應(yīng)用，可以采用不可改寫(xiě)的ROM或者一次性可編程ROM，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在制造芯片的時(shí)候就被寫(xiě)入到ROM里，或者在芯片交付用戶后由用戶(通過(guò)芯片的總線接口或者通信接口或者測(cè)試接口如JTAG接口或者專門(mén)的編程接口)寫(xiě)入系統(tǒng)的一次性可編程ROM中。
(2)對(duì)于那些日后需要改動(dòng)或升級(jí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的應(yīng)用，可以采用可擦寫(xiě)的如Flash Memory、EEPROM等。
(3)還可以采用一種混合類型的ROM，即一部分ROM為不可改寫(xiě)的ROM或者一次性可編程ROM，用于存儲(chǔ)相對(duì)固定的程序和數(shù)據(jù)如芯片的初始化程序、操作系統(tǒng)可執(zhí)行代碼、函數(shù)庫(kù)、字典、漢字庫(kù)等，而一部分ROM為可改寫(xiě)的ROM如Flash Memory、EEPROM等，用于存儲(chǔ)需要經(jīng)常變化或者在芯片制造時(shí)不能確定的程序和數(shù)據(jù)如用戶程序代碼。在很多應(yīng)用中相對(duì)固定的程序和數(shù)據(jù)的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需要經(jīng)常變化或者在芯片制造時(shí)不能確定的程序和數(shù)據(jù)的數(shù)量。所以，這樣混合類型的ROM的實(shí)現(xiàn)方式是一種經(jīng)濟(jì)而又靈活的方式。
ROM 102的存儲(chǔ)容量必須足夠大，以保證這個(gè)單芯片系統(tǒng)100無(wú)須在片外擴(kuò)展ROM就能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)。
這樣的單芯片系統(tǒng)100所要運(yùn)行的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以有多種方式預(yù)裝在ROM 102中。一種方式是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在制造芯片的時(shí)候就被寫(xiě)入到ROM 102里；一種方式是在芯片交付用戶后由用戶寫(xiě)入ROM 102中；另一種方式是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的部分代碼和數(shù)據(jù)在制造芯片的時(shí)候就被寫(xiě)入到ROM 102里，另一部分在芯片交付用戶后由用戶寫(xiě)入ROM 102中。
RAM 103可以是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dynamic Random AccessMemory)即DRAM，也可以是靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Static Random AccessMemory)即SRAM。這取決于系統(tǒng)的性能要求和成本限制。SRAM存取速度快，但是實(shí)現(xiàn)的成本高，同樣容量的情況下SRAM比DRAM占用更大的芯片面積。所以需要高性能、低存儲(chǔ)容量的系統(tǒng)可以選用SRAM，而低速的或需要高容量隨機(jī)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)可以選用DRAM。RAM 103的存儲(chǔ)容量必須足夠大，以保證這個(gè)單芯片系統(tǒng)100無(wú)須在片外擴(kuò)展RAM就能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)。
這樣的單芯片系統(tǒng)100通過(guò)接口模塊104與芯片外部的電路或系統(tǒng)接口或通信，接口或通信可以有多種方式。一種是總線接口方式，是通過(guò)總線接口單元使用標(biāo)準(zhǔn)的總線(如PCI總線)或本系統(tǒng)專有的總線與芯片外部的電路或系統(tǒng)接口，這種方式可擴(kuò)展性好，能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用，但芯片引腳數(shù)目較多，成本高；一種是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通信接口(如RS-232、以太網(wǎng)、ADSL、ISDN、CABLE MODEM等)與外部的電路或系統(tǒng)接口和通信，這樣的方式芯片的引腳數(shù)目非常少，成本很低，適合于功能非常明確的應(yīng)用場(chǎng)合；一種是接口模塊采用一個(gè)或者多個(gè)無(wú)線的通信接口，與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口。
用戶有多種途徑從芯片外將程序或數(shù)據(jù)寫(xiě)入芯片內(nèi)的ROM 102中。一種是通過(guò)芯片的總線接口對(duì)ROM 102進(jìn)行讀寫(xiě)；一種是通過(guò)通信接口如RS-232、以太網(wǎng)、ADSL、ISDN、CABLE MODEMD等；另一種是通過(guò)專門(mén)的測(cè)試接口或者編程接口(如JTAG接口)。
特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序可以壓縮的形式存在ROM 102中，可以采取任意的壓縮算法；也可以用正常的非壓縮的形式存儲(chǔ)在ROM 102中。
這樣的單芯片系統(tǒng)100對(duì)操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序的啟動(dòng)和執(zhí)行流程如圖2所示。芯片復(fù)位之后，首先執(zhí)行一段對(duì)CPU和芯片上其它部件進(jìn)行初始化的代碼202，為引導(dǎo)和執(zhí)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序作好準(zhǔn)備，然后這段代碼將判斷特定操作系統(tǒng)(如Linux或WindowsCE)和用戶的應(yīng)用程序在ROM 102中存儲(chǔ)的形式，決定下一步如何執(zhí)行。如果操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序需要在只讀存儲(chǔ)器(ROM 102)中直接運(yùn)行，則立即開(kāi)始執(zhí)行；否則操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序被轉(zhuǎn)移或者解壓縮到易失存儲(chǔ)器(RAM 103)中運(yùn)行。
這樣的單芯片系統(tǒng)100也可以是一個(gè)多處理器系統(tǒng)，如圖3所示，多個(gè)CPU 301與仲裁和控制單元302組成微處理器模塊101。通過(guò)微處理器模塊101內(nèi)部總線304連接到仲裁和控制單元302，再通過(guò)單芯片系統(tǒng)100內(nèi)部總線105與單芯片系統(tǒng)100內(nèi)的ROM 102、RAM 103和接口模塊104相連。多個(gè)CPU 301共用ROM 102、RAM 103和接口模塊104。
這樣的單芯片系統(tǒng)100也可以是另一種形式的多處理器系統(tǒng)，如圖4所示，其中每個(gè)處理器系統(tǒng)模塊500的構(gòu)造如圖5所示。但它們不是獨(dú)立的芯片，而是芯片內(nèi)的一個(gè)模塊，分別有自己的CPU501、ROM 502和RAM 503及接口模塊504，運(yùn)行各自的操作系統(tǒng)，通過(guò)接口模塊504與片上其它處理器系統(tǒng)模塊500及片外系統(tǒng)通信。各個(gè)處理器系統(tǒng)模塊500通過(guò)一個(gè)仲裁和控制單元402相互通信和控制。這個(gè)多處理器系統(tǒng)也在單芯片上實(shí)現(xiàn)。
對(duì)這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100所要裝載和運(yùn)行操作系統(tǒng)是有限制的，即裝載和運(yùn)行這種操作系統(tǒng)所需的資源(CPU的性能、ROM、RAM的數(shù)量等)在單芯片上能夠?qū)崿F(xiàn)。如果同一操作系統(tǒng)有多個(gè)版本，一般選用其嵌入式版本，因?yàn)檠b載和運(yùn)行這種操作系統(tǒng)所需的資源較少。例如，當(dāng)要裝載和運(yùn)行這種操作系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)時(shí)，一般選用嵌入式Linux。
雖然這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100是為裝載和運(yùn)行操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，但它并不僅限于裝載和運(yùn)行一種操作系統(tǒng)，當(dāng)兩種或兩種以上的操作系統(tǒng)分別裝載和運(yùn)行時(shí)所需的資源相差不多時(shí)，將這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100設(shè)計(jì)成能夠裝載和運(yùn)行兩種或兩種以上的操作系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)的單芯片系統(tǒng)100應(yīng)用將更加廣泛。
本申請(qǐng)相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而言所具有的優(yōu)點(diǎn)和效果(1)提高了集成度采用上述單芯片系統(tǒng)，原來(lái)由多個(gè)芯片完成的功能可以由單個(gè)芯片完成，可以無(wú)須連接其它外圍器件而由這一單芯片系統(tǒng)直接運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序，真正實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)。用戶產(chǎn)品的體積也能夠縮小。
(2)提高了性能由于多個(gè)功能部件如微處理器、ROM、RAM、通信接口部件等都集成在單個(gè)芯片上，各個(gè)部件間的連線距離大大縮短，使系統(tǒng)運(yùn)行速度得以提高，從而提高了系統(tǒng)性能。
(3)降低了成本實(shí)現(xiàn)同一功能，由單個(gè)芯片完成其成本一般低于由多個(gè)芯片完成。采用本發(fā)明后一般可以省去片外存儲(chǔ)器，一般的微處理器其與外部存儲(chǔ)器接口的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線往往占據(jù)芯片引腳數(shù)目中非常大的一部分，所以芯片引腳數(shù)目會(huì)大大減少，芯片也可以做得更小，從而降低了成本。
(4)縮小了芯片和應(yīng)用系統(tǒng)體積實(shí)現(xiàn)同一功能，由單個(gè)芯片完成其體積低于由多個(gè)芯片完成。采用本發(fā)明后一般可以省去片外存儲(chǔ)器，完成系統(tǒng)功能所需要的芯片數(shù)目減少了，從而縮小了應(yīng)用系統(tǒng)體積；芯片引腳數(shù)目也會(huì)大大減少，芯片的體積也可以縮小。
(5)減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度由于多個(gè)功能部件都已經(jīng)集成在這一單芯片系統(tǒng)100上，用戶不再象過(guò)去那樣需要考慮微處理器與存儲(chǔ)器及其它外圍接口器件的接口設(shè)計(jì)問(wèn)題，硬件設(shè)計(jì)難度大大降低。這樣的單芯片系統(tǒng)100在制造的時(shí)候還可以把存儲(chǔ)器及其它外圍接口器件的初始化程序及特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)的驅(qū)動(dòng)程序預(yù)先設(shè)計(jì)好，寫(xiě)入片上ROM 102中，用戶無(wú)須自己編寫(xiě)這些初始化程序和驅(qū)動(dòng)程序，軟件設(shè)計(jì)難度也大大降低。
(6)縮短了用戶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期用戶不再像過(guò)去那樣需要考慮微處理器與存儲(chǔ)器及其它外圍接口器件的硬件接口及軟件驅(qū)動(dòng)程序，只需要專注于其特定應(yīng)用的接口設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，因而使用本技術(shù)可以大大縮短用戶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
采用本發(fā)明后，通過(guò)將CPU、ROM、RAM、總線接口部件等集成在單個(gè)芯片中，裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(如Linux或Windows CE)和用戶的應(yīng)用程序的微處理器系統(tǒng)所需的芯片的數(shù)量可以大幅度減少，甚至用單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)。在很多需要應(yīng)用Linux或Window CE操作系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合可以使用本系統(tǒng)，僅需單一一個(gè)芯片就可經(jīng)濟(jì)、快速的實(shí)現(xiàn)其功能。這樣一個(gè)單芯片系統(tǒng)在一個(gè)引腳數(shù)目很少、體積很小的芯片上能夠運(yùn)行像Linux或Window CE這樣功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)不但能夠在現(xiàn)在已經(jīng)有的應(yīng)用中如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信、控制、手持設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而且能夠使過(guò)去一些因?yàn)樾阅芎腕w積等因素的限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，并將開(kāi)拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。
實(shí)施例首先要確定本發(fā)明所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100所能夠裝載和運(yùn)行嵌入式特定操作系統(tǒng)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，這里所說(shuō)的的單芯片系統(tǒng)100并適合那些存儲(chǔ)和運(yùn)行時(shí)占有存儲(chǔ)器特別較小的操作系統(tǒng)，特別是嵌入式操作系統(tǒng)。這里的實(shí)施例使用Linux操作系統(tǒng)的一個(gè)嵌入式版本，稱為uclinux.，可以由以下Web地址處得到http//www.uclinux.org/uclinux存儲(chǔ)和運(yùn)行時(shí)占有ROM和RAM的大小與具體應(yīng)用有關(guān)。例如一個(gè)窄帶路由器，以u(píng)clinux操作系統(tǒng)，包含uclinux操作系統(tǒng)和運(yùn)行在這樣的操作系統(tǒng)之上的路由器所需的全部應(yīng)用軟件，其可執(zhí)行代碼的大小約為800K字節(jié)，運(yùn)行時(shí)需要的RAM數(shù)量小于4M字節(jié)。
操作系統(tǒng)確定后，這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)100上的ROM和RAM的大小就可以確定下來(lái)。ROM采用Flash Memory，大小定為2M字節(jié)，RAM采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)，數(shù)量定為4M字節(jié)。這樣類型和數(shù)量的存儲(chǔ)器在現(xiàn)有技術(shù)條件下比較容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。有這樣數(shù)量的存儲(chǔ)器uclinux足以順利運(yùn)行，并且在裝載和運(yùn)行uclinux操作系統(tǒng)之后還剩余足夠數(shù)量的ROM和RAM來(lái)裝載和運(yùn)行應(yīng)用程序。
微處理器模塊由一個(gè)單一CPU構(gòu)成，采用ARM Ltd.公司的ARM7TDMI CPU.uclinux操作系統(tǒng)已經(jīng)移植到這種CPU上，這種CPU也有足夠的性能運(yùn)行uclinux操作系統(tǒng)。ARM Ltd.公司已經(jīng)授權(quán)(license)多家半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家如Taiwan SemiconductorManufacturing Company(TSMC)為其它廠家設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以這種CPU為核心微處理器。
接口模塊部件采用一個(gè)總線接口部件，通過(guò)一種專有總線包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與系統(tǒng)之外的其它電路或系統(tǒng)接口。
上述實(shí)施例提出了一種能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)(uclinux)的單芯片系統(tǒng)100，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖6.所示，所包括的各個(gè)部分及特征可總結(jié)如下能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)即linux操作系統(tǒng)的一個(gè)嵌入式版本uclinux；包括2M字節(jié)的Flash Memory 602；
包括4M字節(jié)的DRAM 603；包括一個(gè)ARM Ltd.公司的ARM7TDMI CPU核601；包括一個(gè)總線接口部件605，通過(guò)總線606與芯片外的電路或系統(tǒng)607接口；整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)單一芯片600上。
權(quán)利要求
1.能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括ROM，用于存儲(chǔ)特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；RAM，用于存儲(chǔ)和在其中運(yùn)行由ROM轉(zhuǎn)移而來(lái)的特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序；微處理器模塊，用于將特定操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序由ROM轉(zhuǎn)移到RAM，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者將ROM中以壓縮形式存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序解壓縮到RAM中，然后在RAM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；或者直接在ROM中啟動(dòng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；接口模塊，用于與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口；ROM、RAM、接口模塊通過(guò)芯片內(nèi)部總線與微處理器模塊相接，單芯片系統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路片基或芯片上。
2.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于微處理器模塊采用一個(gè)單一的CPU。
3.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于微處理器模塊由多個(gè)CPU及一個(gè)仲裁和控制單元組成，仲裁和控制單元用于控制各個(gè)CPU使它們協(xié)同工作。
4.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于ROM 102采用不可改寫(xiě)類型的ROM。
5.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于ROM采用可改寫(xiě)類型的ROM。
6.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于ROM一部分采用不可改寫(xiě)類型的ROM，一部分采用可改寫(xiě)類型的ROM。
7.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于RAM采用靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM。
8.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于RAM采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM。
9.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于RAM一部分采用采用靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM，一部分采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM。
10.權(quán)利要求1中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于接口模塊采用一個(gè)總線控制器，使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總線與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口。
11.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于接口模塊采用一個(gè)總線控制器，使用這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)專有的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口。
12.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于接口模塊采用一個(gè)或者多個(gè)有線的通信接口，與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口。
13.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于接口模塊采用一個(gè)或者多個(gè)無(wú)線的通信接口，與這里所說(shuō)的單芯片系統(tǒng)之外的電路或系統(tǒng)接口。
14.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)能夠裝載和運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。
15.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)能夠裝載和運(yùn)行Windows CE操作系統(tǒng)。
16.權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)能夠裝載和運(yùn)行兩種或兩種以上操作系統(tǒng)。
17.能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括兩個(gè)或兩個(gè)以上權(quán)利要求1.中所述的單芯片系統(tǒng)和仲裁和控制單元；仲裁和控制單元，用于控制各個(gè)單芯片的微處理器系統(tǒng)使它們協(xié)同工作。
全文摘要
能夠裝載和運(yùn)行特定操作系統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)由一個(gè)微處理器模塊、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM102和接口模塊組成,ROM、RAM、接口模塊通過(guò)芯片內(nèi)部總線與微處理器模塊相接,單芯片系統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路片基或芯片上。在使用時(shí),無(wú)須其它外圍器件如存儲(chǔ)器。芯片復(fù)位之后,微處理器模塊將特定操作系統(tǒng)和用戶的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移或者解壓縮到隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM中運(yùn)行,也可以在只讀存儲(chǔ)器中ROM中直接運(yùn)行。
文檔編號(hào)G06F9/445GK1375769SQ0110766
公開(kāi)日2002年10月23日 申請(qǐng)日期2001年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月20日
發(fā)明者李燕新 申請(qǐng)人:珠海市萬(wàn)禾網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司