SOC設計原理與實戰-輕松設計機器人

劉建軍

  • 出版商: 清華大學
  • 出版日期: 2021-01-01
  • 售價: $408
  • 貴賓價: 9.5$388
  • 語言: 簡體中文
  • ISBN: 7302563179
  • ISBN-13: 9787302563174
  • 相關分類: 機器人製作 Robots

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商品描述

SoC 作為軟硬件一體化集成程度最高的IT 技術表達方式,是保護設計者知識產權的最完美介 質。隨著SoC 設計技術的普及和芯片製造成本的不斷降低,SoC 成為每一個IT 公司的標配。SoC 設計其實不是一件神秘的事情,有明確的方法可以遵循。本書詳細介紹了SoC 全流程技術,從概念 到需求分析,即從總體設計到模塊分割,從詳細設計到模擬驗證,從生產到封測,從硬件集成到系 統集成,從驗收測試到第二輪迭代的完整過程。 本書不僅適合初次接觸芯片設計的人員,也適合對於芯片或機器人設計有一定瞭解的開發設計 人員及架構師。

目錄大綱

第1 章 SoC 及AI 芯片行業分析 ............................................................................ 1

1.1 背景分析 .............................................................................................................. 1

1.2 AI 芯片產業分析 ................................................................................................. 3

1.2.1 AI 芯片研發現狀分析 .............................................................................. 3

1.2.2 機器人端的研發現狀 ............................................................................... 4

1.2.3 雲端的研發現狀 ....................................................................................... 5

1.3 機器人研發背景分析 .......................................................................................... 6

1.3.1 工業機器人 ............................................................................................... 6

1.3.2 特殊環境下作業機器人 ........................................................................... 6

1.3.3 面向大眾的服務機器人 ........................................................................... 7

第2 章 警用機器人需求定義 .................................................................................. 9

2.1 為什麽是警用機器人 .......................................................................................... 9

2.1.1 機器人組裝將會日益簡單 ....................................................................... 9

2.1.2 機器人的故障率將居高不下 ................................................................. 10

2.1.3 機器人故障將造成嚴重危害 ................................................................. 11

2.2 我們的定位 ........................................................................................................ 11

2.2.1 技術方案確定 ......................................................................................... 11

2.2.2 適應場景分析 ......................................................................................... 12

2.2.3 功能需求定義 ......................................................................................... 12

第3 章 警用機器人的總體架構 ............................................................................ 14

3.1 警用機器人的總體架構設計 ............................................................................ 14

3.1.1 系統組成設計 ......................................................................................... 14

3.1.2 運行流程設計 ......................................................................................... 15

3.2 “觀察者”子系統總體架構設計 .................................................................... 16

3.2.1 飛行的技術選型 ..................................................................................... 16

3.2.2 懸掛纜繩的技術選型 ............................................................................. 18

3.2.3 折疊的技術選型 ..................................................................................... 19

3.2.4 通信的技術選型 ..................................................................................... 19

3.2.5 續航能力的技術選型 ............................................................................. 20

3.3 “摧毀者”子系統總體架構設計 .................................................................... 21

3.3.1 背景技術介紹 ......................................................................................... 21

3.3.2 吸附方法的技術選型 ............................................................................. 22

3.3.3 吸附探測的技術選型 ............................................................................. 25

3.3.4 爬行方法的技術選型 ............................................................................. 25

3.3.5 摧毀方法的技術選型 ............................................................................. 27

第4 章 警用機器人SoC 總體設計 ....................................................................... 28

4.1 SoC 總體流程 .................................................................................................... 28

4.1.1 SoC 芯片設計整體流程 ......................................................................... 28

4.1.2 數字芯片設計流程 ................................................................................. 29

4.1.3 模擬芯片設計流程 ................................................................................. 31

4.2 系統組流程 ........................................................................................................ 33

4.2.1 需求分析 ................................................................................................. 33

4.2.2 架構設計 ................................................................................................. 34

4.3 工藝設計 ............................................................................................................ 35

4.4 封裝設計 ............................................................................................................ 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 數字設計—結構設計 ............................................................................ 40

6.1 芯片架構原理 .................................................................................................... 40

6.1.1 芯片構成原理介紹 ................................................................................. 40

6.1.2 CPU ......................................................................................................... 41

6.1.3 Bus ........................................................................................................... 42

6.1.4 核心外設 ................................................................................................. 43

6.2 掌握設計方法 .................................................................................................... 43

6.2.1 建模工具UML ....................................................................................... 44

6.2.2 設計工具 ................................................................................................. 45

6.3 設計總體結構 .................................................................................................... 47

第7 章 數字設計—概要設計 ............................................................................ 48

7.1 CPU 設計 ........................................................................................................... 48

7.1.1 CPU 內部設計 ........................................................................................ 48

7.1.2 CPU 引腳接口 ........................................................................................ 49

7.1.3 Register 接口 ........................................................................................... 50

7.2 Bus 設計 ............................................................................................................. 50

7.2.1 AHB 總線設計 ........................................................................................ 51

7.2.2 APB 總線設計 ........................................................................................ 52

7.3 Memory Controller 器件設計 ............................................................................ 53

7.3.1 電路原理設計 ......................................................................................... 53

7.3.2 引腳接口設計 ......................................................................................... 54

7.3.3 Register 接口 ........................................................................................... 55

7.4 Clock 器件設計.................................................................................................. 56

7.4.1 電路原理設計 ......................................................................................... 56

7.4.2 引腳接口 ................................................................................................. 57

7.4.3 Register 接口 ........................................................................................... 57

7.5 Interrupt Controller 設計 .................................................................................... 57

7.5.1 電路原理設計 ......................................................................................... 57

7.5.2 引腳接口 ................................................................................................. 58

7.5.3 Register 接口 ........................................................................................... 59

7.6 Internal Memory 器件設計 ................................................................................ 59

7.6.1 電路原理設計 ......................................................................................... 59

7.6.2 引腳接口 ................................................................................................. 60

7.6.3 Register 接口 ........................................................................................... 60

7.7 DMA 器件設計 .................................................................................................. 60

7.7.1 電路原理設計 ......................................................................................... 60

7.7.2 引腳接口 ................................................................................................. 61

7.7.3 Register 接口 ........................................................................................... 62

7.8 USB Controller 器件設計 .................................................................................. 64

7.8.1 電路原理設計 ......................................................................................... 64

7.8.2 引腳接口 ................................................................................................. 64

7.8.3 Register 接口 ........................................................................................... 65

7.9 GPIO 器件設計 .................................................................................................. 66

7.9.1 電路原理設計 ......................................................................................... 66

7.9.2 引腳接口 ................................................................................................. 67

7.9.3 Register 接口 ........................................................................................... 67

7.10 FIFO 器件設計 ................................................................................................ 67

7.10.1 電路原理設計 ....................................................................................... 67

7.10.2 引腳接口 ............................................................................................... 68

7.10.3 Register 接口 ......................................................................................... 68

第8 章 數字設計—AI 協處理器設計 ................................................................. 69

8.1 AI 協處理器工作原理 ....................................................................................... 69

8.1.1 AI 綜合打分法 ........................................................................................ 69

8.1.2 AI 的適用範圍 ........................................................................................ 74

8.2 AI 的主要算法性能分析 ................................................................................... 75

8.3 AI 芯片的架構設計 ........................................................................................... 78

8.4 AI 芯片的使用步驟是先訓練再使用 ............................................................... 80

8.5 警用機器人為何使用AI 芯片 .......................................................................... 81

第9 章 數字設計—詳細設計 ............................................................................ 82

9.1 編程語言 ............................................................................................................ 82

9.1.1 芯片語言的基本概念 ............................................................................. 82

9.1.2 芯片語言的基本結構 ............................................................................. 84

9.1.3 設計原理 ................................................................................................. 85

9.2 設計方法舉例 .................................................................................................... 86

第10 章 數字設計—單元驗證 .......................................................................... 87

10.1 單一部件的時序分析 ...................................................................................... 87

10.1.1 時序分析方法 ....................................................................................... 87

10.1.2 實驗波形 ............................................................................................... 87

10.2 單元測試的主要檢查項 .................................................................................. 88

10.3 多部件的集成驗證 .......................................................................................... 88

10.3.1 拓撲分析 ............................................................................................... 88

10.3.2 接口驗證 ............................................................................................... 89

10.4 地址映射 .......................................................................................................... 91

10.5 系統模擬語言 .................................................................................................. 91

10.5.1 System C 語言介紹 ............................................................................... 91

10.5.2 System C 模擬工具 ............................................................................... 92

10.6 System C 模擬實例 .......................................................................................... 93

10.6.1 劃分模塊 ............................................................................................... 93

10.6.2 行為定義 ............................................................................................... 94

10.7 System C 模擬結論 .......................................................................................... 95

第11 章 模擬設計—概要設計 .......................................................................... 96

11.1 PWM 器件設計 ................................................................................................ 96

11.1.1 電路原理設計 ....................................................................................... 96

11.1.2 引腳接口 ............................................................................................... 98

11.1.3 Register 接口 ......................................................................................... 99

11.2 AD/DA 器件設計 ............................................................................................. 99

11.2.1 ADC 電路原理設計 .............................................................................. 99

11.2.2 DAC 電路原理設計 ............................................................................ 101

11.2.3 引腳接口 ............................................................................................. 103

11.2.4 Register 接口 ....................................................................................... 103

11.3 加速度計器件設計 ........................................................................................ 103

11.3.1 加速度測量原理 ................................................................................. 103

11.3.2 電路原理設計 ..................................................................................... 105

11.3.3 引腳接口 ............................................................................................. 106

11.3.4 Register 接口 ....................................................................................... 107

第12 章 模擬設計—詳細設計和單元測試 ...................................................... 108

12.1 編程語言 ........................................................................................................ 108

12.1.1 使用VHDL-AMS 編程 ...................................................................... 108

12.1.2 使用Verilog-AMS 編程 ..................................................................... 110

12.2 電路模擬 ........................................................................................................ 110

12.2.1 模擬工具 ............................................................................................. 110

12.2.2 測試向量 ............................................................................................. 112

12.2.3 SPICE 模擬 ......................................................................................... 114

第13 章 模擬設計—集成驗證和系統驗證 ...................................................... 116

13.1 噪聲來源分析 ................................................................................................ 116

13.1.1 低頻噪聲 ............................................................................................. 116

13.1.2 半導體器件產生的散粒噪聲 ............................................................. 117

13.1.3 高頻熱噪聲 ......................................................................................... 117

13.1.4 電路板上電磁元件的乾擾 ................................................................. 117

13.1.5 晶體管的噪聲 ..................................................................................... 118

13.1.6 電阻器的噪聲 ..................................................................................... 118

13.1.7 集成電路的噪聲 ................................................................................. 118

13.2 數字電路帶來的電源噪聲分析 .................................................................... 119

13.2.1 電源線上的噪聲 ................................................................................. 119

13.2.2 地線上的噪聲 ..................................................................................... 119

13.3 模擬電路噪聲分析 ........................................................................................ 120

13.4 功耗分析 ........................................................................................................ 121

第14 章 後端設計 .............................................................................................. 123

14.1 後端設計工具 ................................................................................................ 123

14.1.1 Synopsys Design Compiler 邏輯綜合工具 ......................................... 123

14.1.2 Astro 自動佈局布線工具 ................................................................... 125

14.2 怎樣把設計變成芯片 .................................................................................... 127

14.2.1 佈局分區 ............................................................................................. 127

14.2.2 驗證的具體方法 ................................................................................. 129

14.2.3 生產工藝 ............................................................................................. 132

14.2.4 封裝工藝 ............................................................................................. 139

14.2.5 生產驗證 ............................................................................................. 140

14.3 實物驗證 ........................................................................................................ 142

14.4 成本估算 ........................................................................................................ 142

第15 章 警用機器人的硬件集成 ........................................................................ 144

15.1 通過3D 打印設計連接結構 ......................................................................... 144

15.1.1 3D 打印設備 ....................................................................................... 144

15.1.2 打印機身和機翼 ................................................................................. 145

15.1.3 打印爬行腳 ......................................................................................... 145

15.1.4 打印其他組件 ..................................................................................... 146

15.2 設計PCB ....................................................................................................... 146

15.2.1 總體設計 ............................................................................................. 146

15.2.2 最小系統設計 ..................................................................................... 147

15.2.3 啟動和復位電路設計 ......................................................................... 148

15.2.4 供電電路設計 ..................................................................................... 148

15.2.5 充電電路設計 ..................................................................................... 149

15.2.6 姿態控制電路設計 ............................................................................. 149

15.2.7 電機驅動電路設計 ............................................................................. 149

15.3 連接與組裝 .................................................................................................... 150

15.3.1 安裝發動機 ......................................................................................... 150

15.3.2 安裝螺旋槳 ......................................................................................... 151

15.3.3 安裝攝像頭和雲台 ............................................................................. 152

15.3.4 安裝爬行腳 ......................................................................................... 152

15.3.5 安裝摧毀頭 ......................................................................................... 153

第16 章 警用機器人的軟件集成 ........................................................................ 154

16.1 操作系統選型 ................................................................................................ 154

16.1.1 Arduino 操作系統 ............................................................................... 154

16.1.2 OpenPilot 操作系統 ............................................................................ 155

16.2 驅動程序設計 ................................................................................................ 156

16.2.1 驅動程序設計原理 ............................................................................. 156

16.2.2 加速度傳感器驅動程序設計 ............................................................. 157

16.2.3 陀螺儀驅動程序設計 ......................................................................... 161

16.2.4 AI 協處理器驅動程序設計 ................................................................ 163

16.3 “觀察者”應用程序設計 ............................................................................ 165

16.3.1 整體架構 ............................................................................................. 165

16.3.2 初始化 ................................................................................................. 166

16.3.3 主循環—100 Hz 循環 ..................................................................... 167

16.3.4 主循環—50 Hz 循環 ....................................................................... 168

16.3.5 主循環—10 Hz 循環 ....................................................................... 169

16.4 “摧毀者”應用程序設計 ............................................................................ 170

16.4.1 整體架構 ............................................................................................. 170

16.4.2 命令接收模塊設計 ............................................................................. 171

16.4.3 吸附模塊設計 ..................................................................................... 171

16.4.4 爬行模塊設計 ..................................................................................... 171

16.4.5 執行模塊設計 ..................................................................................... 172

第17 章 警用機器人的AI 訓練 .......................................................................... 173

17.1 收集自動校準圖像樣本 ................................................................................ 173

17.1.1 樣本收集 ............................................................................................. 173

17.1.2 樣本標註 ............................................................................................. 174

17.2 利用雲端資源進行AI 訓練 .......................................................................... 174

17.2.1 TensorFlow 簡介 ................................................................................. 174

17.2.2 安裝CUDA ......................................................................................... 175

17.2.3 安裝CUDNN ...................................................................................... 175

17.2.4 安裝virtualenv 並下載TensorFlow 文件 .......................................... 176

17.2.5 安裝Bazel 編譯器 .............................................................................. 176

17.2.6 TensorFlow 編譯 ................................................................................. 177

17.2.7 測試 ..................................................................................................... 178

17.2.8 利用TensorFlow 訓練圖像分類的模型 ............................................ 178

17.3 把AI 訓練結果導入“觀察者”芯片上 ...................................................... 180

第18 章 警用機器人的全系統測試 ..................................................................... 181

18.1 飛行能力測試 ................................................................................................ 181

18.1.1 測試目的 ............................................................................................. 181

18.1.2 測試方法 ............................................................................................. 181

18.1.3 測試結論 ............................................................................................. 183

18.2 爬行能力測試 ................................................................................................ 183

18.2.1 測試目的 ............................................................................................. 183

18.2.2 測試方法 ............................................................................................. 183

18.2.3 測試結論 ............................................................................................. 184

18.3 吸附能力測試 ................................................................................................ 185

18.3.1 測試目的 ............................................................................................. 185

18.3.2 測試方法 ............................................................................................. 185

18.3.3 測試結論 ............................................................................................. 186

18.4 實施能力測試 ................................................................................................ 186

18.4.1 測試目的 ............................................................................................. 186

18.4.2 測試方法 ............................................................................................. 187

18.4.3 測試結論 ............................................................................................. 187

18.5 觀測能力測試 ................................................................................................ 188

18.5.1 測試目的 ............................................................................................. 188

18.5.2 測試方法 ............................................................................................. 188

18.5.3 測試結論 ............................................................................................. 189

18.6 各部件耗電測試 ............................................................................................ 189

18.6.1 測試目的 ............................................................................................. 189

18.6.2 測試方法 ............................................................................................. 189

18.6.3 測試結論 ............................................................................................. 190

18.7 穩定性測試 .................................................................................................... 191

18.7.1 測試目的 ............................................................................................. 191

18.7.2 測試方法 ............................................................................................. 191

18.7.3 測試結論 ............................................................................................. 192

第19 章 警用機器人的商業模式設計 ................................................................. 193

19.1 市場規模分析 ................................................................................................ 193

19.2 投資需求分析 ................................................................................................ 194

19.3 商業模式策劃 ................................................................................................ 194

第20 章 下一步研究:AI 總線技術 .................................................................... 195

20.1 AI 總線技術是產業發展的趨勢 ................................................................... 195

20.1.1 為什麽要做AI 總線 ........................................................................... 195

20.1.2 AI 總線的優勢 .................................................................................... 196

20.2 AI 總線對產業界的影響 ............................................................................... 196

20.2.1 AI 總線的市場 .................................................................................... 196

20.2.2 AI 總線的作用 .................................................................................... 196

20.2.3 AI 總線是否會與現有技術、廠商發生沖突 .................................... 197

20.2.4 AI 總線對產業鏈的影響 .................................................................... 197

20.3 AI 總線的核心技術 ....................................................................................... 197

20.3.1 總線的仲裁技術 ................................................................................. 197

20.3.2 設備的自我註冊技術 ......................................................................... 198

20.3.3 設備間的傳輸技術 ............................................................................. 198

附錄A .................................................................................................................. 199

A.1 存儲控制器設計完整代碼 ............................................................................. 199

A.2 ADC 設計完整代碼 ........................................................................................ 229

A.3 AI 訓練設計完整代碼 .................................................................................... 247

附錄B 相關設計資源 ......................................................................................... 257