新星杯-ESP32智能硬件开发--SoC基础

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。