SOC常见架构_RISCV AI SOC实战（一，概述及架构设计）

写完了低功耗SOC设计，我们来介绍一个实际可用于边缘端AI计算的SOC设计。

这个系列要达到两个目的。一是介绍某个可以直接用于实际生产超简单的边缘端超低功耗SOC。二是尽量科普向，多介绍重要的原理，少介绍冗长的细节，尽量涉及到方方面面。三，如果有时间，会简单介绍一下常用的AI加速核心设计。

我们愉快的开始吧~

一、芯片整体架构

芯片架构如上图所示。共有三个模块组。

计算核心组。其中只有一个主设备，既RISC-V核心。此处需要注意的是一般来讲我们在这种RISC核心中倾向于使用哈弗架构而不是冯诺依曼架构。也就是说数据和指令不共享总线。所以指令存储IMEM可以做进RISC-V核心。内容主要包括了

• • RISCV的CPU核心，数据存储DMEM(一般由SRAM来实现）。
  • QSPI FLASH。
  • AI加速核心。

数据外设组。这一组主要用于芯片和外界进行数据交换。由于芯片的应用场景是低功耗场景，故没有高速的接口（例如DDR PHY），全部用APB总线连接。主要包括了

• ADC用于连接各种传感器（例如震动与温度）
• SPI接口用于提供外设控制（例如FLASH和震动传感器）
• I2C用于连接EEPROM等外设
• UART可以连接蓝牙和加速度传感器等
• GPIO用于调试以及灵活处理其他输入输出信号

系统外设组。该组模块包括了维持SOC正确运转所需要的必须模块。包括了

• PMU，Power Manager Unit, 用于管理芯片的功耗。
• RTC, Real-time Counter, 一个计数器，计数完成后生成中断。
• Watchdog, 看门狗。用于发现系统挂死后reset系统的。
• RSTGEN, 用于产生系统复位信号的模块。
• CLKGEN, 用于产生系统所需的各个时钟的模块。

二、SOC的时钟管理

时钟和时钟频率会极大影响功耗。由于我们是边缘端低功耗的芯片，故一共需要两个时钟域。

主时钟域：计算核心组和数据外设组位于主时钟域。该时钟域在运行时速度较快，一般来讲运行于8M-100M之间。

常开时钟域：主要用于系统外设组。由于这个时钟域需要常开的，所以频率会比较慢，常见的值是32.768KHz。

具体的时钟管理以及CLKGEN模块详见文章桔里猫：RISCV AI SOC实战（二，SOC的时钟管理）。

三、SOC的电源功耗管理

由于是边缘低功耗芯片，故设计低功耗模式时非常重要的。该芯片同样具有两个电源域。

主电源域：计算核心组和数据外设组位于主电源域。该电源域是可以被关断的。

常开电源域：主要用于系统外设组。这个电源域不应该断电。

可以实现三种低功耗模式

• 正常模式，两个电源域都打开。
• 等待模式，两个电源域都打开。有一条专门的指令（WFI, Waiting for Interrupt），core执行以后会关断核心的时钟。等待中断后再打开时钟。
• 睡眠模式。直接把住时钟域关断。

具体的电源管理模块及PMU模块详见文章桔里猫：RISCV AI SOC实战（三，SOC的功耗管理）。

四、SOC的复位管理

由于存在多个电源域与时钟域，故系统的复位显然是要有顺序的。否则容易发生复位错误。一个总的原则是先复位低优先级的模块（也就是外设）。对于本设计来讲，先复位常开时钟域，再复位主时钟域。需要注意的是每个时钟域都要对复位信号进行异步接受同步释放。

具体的复位管理及RSTGEN模块详见文章桔里猫：RISCV AI SOC实战（四，复位管理）。

五、SOC的中断管理

emm 这块在上图里没有专门的模块。因为一般来讲中断会划分在RISC-V Core那个大模块里。这个东西一般RISCV核心的提供商会提供这个东西，但是还是要明白原理。

具体的中断管理详见文章桔里猫：RISCV AI SOC实战（五，中断管理）。

六、SOC的软件流程及上电流程

程序编译好后会先放入FLASH，SOC上电以后会把程序从FLASH拷到片上开始执行。具体上电boot流程可以看以前这篇文章桔里猫：你码的代码是如何在SOC芯片上跑起来的。

七、AI CORE如何设计

这个东西讲起来就比较多了。和SOC关系其实不是很大。所以放在了一个新的系列讲。桔里猫：如何设计AI芯片中的加速核心（一，综述）。

总结

这个系列主要是介绍一个实际使用的低功耗AI SOC里面方方面面的设计。边缘端芯片的好处就是能简化就简化，所以介绍起来还算比较方便。SOC主要也是一些经验性的东西，只要走过一遍其实就变成了一个纯工程问题，没有特别难的科研问题需要解决。但SOC确实是国内各个小芯片公司最喜欢的形式，因为专用的同时能兼顾一部分通用性，又避免了直接在通用领域和巨头进行竞争。

纸上得来终觉浅啊，有机会一定要自己参与流片一两个SOC对里面的细节才能算是真正了解。