SoC设计原理与实战——轻松设计机器人

本书详细介绍了SoC 全流程技术，即从总体设计到模块分割，从详细设计到仿真验证，从生产到封测，从硬件集成到系 统集成，从验收测试到第二轮迭代的完整过程。本书不仅适合初次接触芯片设计的人员，也适合对于芯片或机器人设计有一定了解的开发设计 人员及架构师。

SoC作为软硬件一体化集成程度优选的IT技术表达方式，是保护设计者知识产权的最完美介质。随着SoC设计技术的普及和芯片制造成本的不断降低，SoC成为每一个IT公司的标配。SoC设计其实不是一件神秘的事情，有明确的方法可以遵循。本书详细介绍了SoC全流程技术，从概念到需求分析，即从总体设计到模块分割，从详细设计到仿真验证，从生产到封测，从硬件集成到系统集成，从验收测试到第二轮迭代的完整过程。本书不仅适合初次接触芯片设计的人员，也适合对于芯片或机器人设计有一定了解的开发设计人员及架构师。

 

第1章 SoC 及AI 芯片行业分析 1
1.1 背景分析 1
1.2 AI 芯片产业分析 3
1.2.1 AI 芯片研发现状分析 3
1.2.2 机器人端的研发现状 4
1.2.3 云端的研发现状 5
1.3 机器人研发背景分析 6
1.3.1 工业机器人 6
1.3.2 特殊环境下作业机器人 6
1.3.3 面向大众的服务机器人 7
第2章 警用机器人需求定义 9
2.1 为什么是警用机器人 9
2.1.1 机器人组装将会日益简单 9
2.1.2 机器人的故障率将居高不下 10
2.1.3 机器人故障将造成严重危害 11
2.2 我们的定位 11
2.2.1 技术方案确定 11
2.2.2 适应场景分析 12
2.2.3 功能需求定义 12
第3章 警用机器人的总体架构 14
3.1 警用机器人的总体架构设计 14
3.1.1 系统组成设计 14
3.1.2 运行流程设计 15
3.2 “观察者”子系统总体架构设计 16
3.2.1 飞行的技术选型 16
3.2.2 悬挂缆绳的技术选型 18
3.2.3 折叠的技术选型 19
3.2.4 通信的技术选型 19
3.2.5 续航能力的技术选型 20
3.3 “摧毁者”子系统总体架构设计 21
3.3.1 背景技术介绍 21
3.3.2 吸附方法的技术选型 22
3.3.3 吸附探测的技术选型 25
3.3.4 爬行方法的技术选型 25
3.3.5 摧毁方法的技术选型 27
第4章 警用机器人SoC 总体设计 28
4.1 SoC 总体流程 28
4.1.1 SoC 芯片设计整体流程 28
4.1.2 数字芯片设计流程 29
4.1.3 模拟芯片设计流程 31
4.2 系统组流程 33
4.2.1 需求分析 33
4.2.2 架构设计 34
4.3 工艺设计 35
4.4 封装设计 36
第5章 需求分析 38
5.1 功能需求 38
5.2 Pin 需求 39
第6章 数字设计——结构设计 40
6.1 芯片架构原理 40
6.1.1 芯片构成原理介绍 40
6.1.2 CPU 41
6.1.3 Bus 42
6.1.4 核心外设 43
6.2 掌握设计方法 43
6.2.1 建模工具UML 44
6.2.2 设计工具 45
6.3 设计总体结构 47
第7章 数字设计——概要设计 48
7.1 CPU 设计 48
7.1.1 CPU 内部设计 48
7.1.2 CPU 引脚接口 49
7.1.3 Register 接口 50
7.2 Bus 设计 50
7.2.1 AHB 总线设计 51
7.2.2 APB 总线设计 52
7.3 Memory Controller 器件设计 53
7.3.1 电路原理设计 53
7.3.2 引脚接口设计 54
7.3.3 Register 接口 55
7.4 Clock 器件设计 56
7.4.1 电路原理设计 56
7.4.2 引脚接口 57
7.4.3 Register 接口 57
7.5 Interrupt Controller 设计 57
7.5.1 电路原理设计 57
7.5.2 引脚接口 58
7.5.3 Register 接口 59
7.6 Internal Memory 器件设计 59
7.6.1 电路原理设计 59
7.6.2 引脚接口 60
7.6.3 Register 接口 60
7.7 DMA 器件设计 60
7.7.1 电路原理设计 60
7.7.2 引脚接口 61
7.7.3 Register 接口 62
7.8 USB Controller 器件设计 64
7.8.1 电路原理设计 64
7.8.2 引脚接口 64
7.8.3 Register 接口 65
7.9 GPIO 器件设计 66
7.9.1 电路原理设计 66
7.9.2 引脚接口 67
7.9.3 Register 接口 67
7.10 FIFO 器件设计 67
7.10.1 电路原理设计 67
7.10.2 引脚接口 68
7.10.3 Register 接口 68
第8章 数字设计——AI 协处理器设计 69
8.1 AI 协处理器工作原理 69
8.1.1 AI 综合打分法 69
8.1.2 AI 的适用范围 74
8.2 AI 的主要算法性能分析 75
8.3 AI 芯片的架构设计 78
8.4 AI 芯片的使用步骤是先训练再使用 80
8.5 警用机器人为何使用AI 芯片 81
第9章 数字设计——详细设计 82
9.1 编程语言 82
9.1.1 芯片语言的基本概念 82
9.1.2 芯片语言的基本结构 84
9.1.3 设计原理 85
9.2 设计方法举例 86
第10章 数字设计——单元验证 87
10.1 单一部件的时序分析 87
10.1.1 时序分析方法 87
10.1.2 实验波形 87
10.2 单元测试的主要检查项 88
10.3 多部件的集成验证 88
10.3.1 拓扑分析 88
10.3.2 接口验证 89
10.4 地址映射 91
10.5 系统仿真语言 91
10.5.1 System C 语言介绍 91
10.5.2 System C 仿真工具 92
10.6 System C 仿真实例 93
10.6.1 划分模块 93
10.6.2 行为定义 94
10.7 System C 仿真结论 95
第11章 模拟设计——概要设计 96
11.1 PWM 器件设计 96
11.1.1 电路原理设计 96
11.1.2 引脚接口 98
11.1.3 Register 接口 99
11.2 AD/DA 器件设计 99
11.2.1 ADC 电路原理设计 99
11.2.2 DAC 电路原理设计 101
11.2.3 引脚接口 103
11.2.4 Register 接口 103
11.3 加速度计器件设计 103
11.3.1 加速度测量原理 103
11.3.2 电路原理设计 105
11.3.3 引脚接口 106
11.3.4 Register 接口 107
第12章 模拟设计——详细设计和单元测试 108
12.1 编程语言 108
12.1.1 使用VHDL-AMS 编程 108
12.1.2 使用Verilog-AMS 编程 110
12.2 电路仿真 110
12.2.1 仿真工具 110
12.2.2 测试向量 112
12.2.3 SPICE 仿真 114
第13章 模拟设计——集成验证和系统验证 116
13.1 噪声来源分析 116
13.1.1 低频噪声 116
13.1.2 半导体器件产生的散粒噪声 117
13.1.3 高频热噪声 117
13.1.4 电路板上电磁元件的干扰 117
13.1.5 晶体管的噪声 118
13.1.6 电阻器的噪声 118
13.1.7 集成电路的噪声 118
13.2 数字电路带来的电源噪声分析 119
13.2.1 电源线上的噪声 119
13.2.2 地线上的噪声 119
13.3 模拟电路噪声分析 120
13.4 功耗分析 121
第14章 后端设计 123
14.1 后端设计工具 123
14.1.1 Synopsys Design Compiler 逻辑综合工具 123
14.1.2 Astro 自动布局布线工具 125
14.2 怎样把设计变成芯片 127
14.2.1 布局分区 127
14.2.2 验证的具体方法 129
14.2.3 生产工艺 132
14.2.4 封装工艺 139
14.2.5 生产验证 140
14.3 实物验证 142
14.4 成本估算 142
第15章 警用机器人的硬件集成 144
15.1 通过3D 打印设计连接结构 144
15.1.1 3D 打印设备 144
15.1.2 打印机身和机翼 145
15.1.3 打印爬行脚 145
15.1.4 打印其他组件 146
15.2 设计PCB 146
15.2.1 总体设计 146
15.2.2 最小系统设计 147
15.2.3 启动和复位电路设计 148
15.2.4 供电电路设计 148
15.2.5 充电电路设计 149
15.2.6 姿态控制电路设计 149
15.2.7 电机驱动电路设计 149
15.3 连接与组装 150
15.3.1 安装发动机 150
15.3.2 安装螺旋桨 151
15.3.3 安装摄像头和云台 152
15.3.4 安装爬行脚 152
15.3.5 安装摧毁头 153
第16章 警用机器人的软件集成 154
16.1 操作系统选型 154
16.1.1 Arduino 操作系统 154
16.1.2 OpenPilot 操作系统 155
16.2 驱动程序设计 156
16.2.1 驱动程序设计原理 156
16.2.2 加速度传感器驱动程序设计 157
16.2.3 陀螺仪驱动程序设计 161
16.2.4 AI 协处理器驱动程序设计 163
16.3 “观察者”应用程序设计 165
16.3.1 整体架构 165
16.3.2 初始化 166
16.3.3 主循环——100 Hz 循环 167
16.3.4 主循环——50 Hz 循环 168
16.3.5 主循环——10 Hz 循环 169
16.4 “摧毁者”应用程序设计 170
16.4.1 整体架构 170
16.4.2 命令接收模块设计 171
16.4.3 吸附模块设计 171
16.4.4 爬行模块设计 171
16.4.5 执行模块设计 172
第17章 警用机器人的AI 训练 173
17.1 收集自动校准图像样本 173
17.1.1 样本收集 173
17.1.2 样本标注 174
17.2 利用云端资源进行AI 训练 174
17.2.1 TensorFlow 简介 174
17.2.2 安装CUDA 175
17.2.3 安装CUDNN 175
17.2.4 安装virtualenv 并下载TensorFlow 文件 176
17.2.5 安装Bazel 编译器 176
17.2.6 TensorFlow 编译 177
17.2.7 测试 178
17.2.8 利用TensorFlow 训练图像分类的模型 178
17.3 把AI 训练结果导入“观察者”芯片上 180
第18章 警用机器人的全系统测试 181
18.1 飞行能力测试 181
18.1.1 测试目的 181
18.1.2 测试方法 181
18.1.3 测试结论 183
18.2 爬行能力测试 183
18.2.1 测试目的 183
18.2.2 测试方法 183
18.2.3 测试结论 184
18.3 吸附能力测试 185
18.3.1 测试目的 185
18.3.2 测试方法 185
18.3.3 测试结论 186
18.4 实施能力测试 186
18.4.1 测试目的 186
18.4.2 测试方法 187
18.4.3 测试结论 187
18.5 观测能力测试 188
18.5.1 测试目的 188
18.5.2 测试方法 188
18.5.3 测试结论 189
18.6 各部件耗电测试 189
18.6.1 测试目的 189
18.6.2 测试方法 189
18.6.3 测试结论 190
18.7 稳定性测试 191
18.7.1 测试目的 191
18.7.2 测试方法 191
18.7.3 测试结论 192
第19章 警用机器人的商业模式设计 193
19.1 市场规模分析 193
19.2 投资需求分析 194
19.3 商业模式策划 194
第20章 下一步研究：AI 总线技术 195
20.1 AI 总线技术是产业发展的趋势 195
20.1.1 为什么要做AI 总线 195
20.1.2 AI 总线的优势 196
20.2 AI 总线对产业界的影响 196
20.2.1 AI 总线的市场 196
20.2.2 AI 总线的作用 196
20.2.3 AI 总线是否会与现有技术、厂商发生冲突 197
20.2.4 AI 总线对产业链的影响 197
20.3 AI 总线的核心技术 197
20.3.1 总线的仲裁技术 197
20.3.2 设备的自我注册技术 198
20.3.3 设备间的传输技术 198
附录A 199
A.1 存储控制器设计完整代码 199
A.2 ADC 设计完整代码 229
A.3 AI 训练设计完整代码 247
附录B 相关设计资源 257