嵌入式處理芯片的產品介紹--片上系統Soc
時間：2023-06-29 來源：華清遠見
SoC的定義多種多樣，由于其內涵豐富、應用范圍廣，很難給出準確定義。一般說來， SoC稱為系統級芯片，也有稱片上系統，意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。
下面將詳細介紹有關嵌入式單片機片上系統Soc的相關知識。
一、片上系統簡介：
從狹義角度講，它是信息系統核心的芯片集成，是將系統關鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講， SoC是一個微小型系統，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP（Intellectual Property）核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。
SoC定義的基本內容主要在兩方面：其一是它的構成，其二是它形成過程。系統級芯片的構成可以是系統級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內核模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，對于一個無線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現)以及微電子機械模塊，更重要的是一個SoC 芯片內嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。系統級芯片形成或產生過程包含以下三個方面:
1) 基于單片集成系統的軟硬件協同設計和驗證;
2) 再利用邏輯面積技術使用和產能占有比例有效提高即開發和研究IP核生成及復用技術，特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等；IP核復用技術在SoC芯片設計中被廣泛采用。先進工藝條件下，SoC系統級芯片設計規模越來越大，芯片上所集成的IP種類和數量也隨之暴增。IP數據如何高效管理和追蹤變得尤為重要。 [4]
3) 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。
SoC設計的關鍵技術
SoC關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術，
并且包含做嵌入式軟件移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。
二、片上系統綜述：
SoC是System on Chip的縮寫，直譯是“芯片級系統”，通常簡稱“片上系統”。因為涉及到“Chip”，SoC身上也會體現出“集成電路”與“芯片”之間的聯系和區別，其相關內容包括集成電路的設計、系統集成、芯片設計、生產、封裝、測試等等。跟“芯片”的定義類似，SoC更強調的是一個整體，在集成電路領域，給它的定義為：由多個具有特定功能的集成電路組合在一個芯片上形成的系統或產品，其中包含完整的硬件系統及其承載的嵌入式軟件。
這意味著，在單個芯片上，就能完成一個電子系統的功能，而這個系統在以前往往需要一個或多個電路板，以及板上的各種電子器件、芯片和互連線共同配合來實現。前面我們說集成電路的時候提到過樓房對平房的集成，而SoC可以看作是城鎮對樓房的集成；賓館、飯店、商場、超市、醫院、學校、汽車站和大量的住宅，集中在一起，構成了一個小鎮的功能，滿足人們吃住行的基本需求。SoC更多的是對處理器（包括CPU、DSP）、存儲器、各種接口控制模塊、各種互聯總線的集成，其典型代表為手機芯片（參見術語“終端芯片”的介紹）。SoC還達不到單芯片實現一個傳統的電子產品的程度，可以說SoC只是實現了一個小鎮的功能，還不能實現一個城市的功能。
SoC有兩個顯著的特點：一是硬件規模龐大，通常基于IP設計模式；二是軟件比重大，需要進行軟硬件協同設計。可以類比為城市相比農村的優勢很明顯：配套齊全、交通便利、效率高。SoC也有類似特點：在單個芯片上集成了更多配套的電路，節省了集成電路的面積，也就節省了成本，相當于城市的能源利用率提高了；片上互聯相當于城市的快速道路，高速、低耗，原來分布在電路板上的各器件之間的信息傳輸，集中到同一個芯片中，相當于本來要坐長途汽車才能到達的地方，已經挪到城里來了，坐一趟地鐵或BRT就到了，這樣明顯速度快了很多；城市的第三產業發達，更具有競爭力，而SoC上的軟件則相當于城市的服務業務，不單硬件好，軟件也要好；同樣一套硬件，今天可以用來做某件事，明天又可以用來做另一件事，類似于城市中整個社會的資源配置和調度、利用率方面的提高。可見SoC在性能、成本、功耗、可靠性，以及生命周期與適用范圍各方面都有明顯的優勢，因此它是集成電路設計發展的必然趨勢。在性能和功耗敏感的終端芯片領域，SoC已占據主導地位；而且其應用正在擴展到更廣的領域。單芯片實現完整的電子系統，是IC 產業未來的發展方向。
三、片上系統技術發展
集成電路的發展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規律推進，現已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發展，引發了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮小）為主要特征的多種工藝集成技術和面向應用的系統級芯片的發展。隨著半導體產業進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現一個復雜的電子系統，諸如手機芯片、數字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現。 SoC (System - on - Chip)設計技術始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發展，IC設計者能夠將愈來愈復雜的功能集成到單硅片上， SoC正是在集成電路( IC)向集成系統( IS)轉變的大方向下產生的。1994年Motorola發布的FlexCore系統(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC，可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SoC設計的最早報導。由于SoC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高了ASIC的設計能力，因此發展非常迅速，引起了工業界和學術界的關注。 [2]
SOC是集成電路發展的必然趨勢，是技術發展的必然，也是IC 產業未來的發展。
四、線上系統核心技術
系統功能集成是SoC的核心技術。在傳統的應用電子系統設計中，需要根據設計要求的功能模塊對整個系統進行綜合，即根據設計要求的功能，尋找相應的集成電路，再根據設計要求的技術指標設計所選電路的連接形式和參數。這種設計的結果是一個以功能集成電路為基礎，器件分布式的應用電子系統結構。設計結果能否滿足設計要求不僅取決于電路芯片的技術參數，而且與整個系統PCB版圖的電磁兼容特性有關。同時，對于需要實現數字化的系統，往往還需要有單片機等參與，所以還必須考慮分布式系統對電路固件特性的影響。很明顯，傳統應用電子系統的實現采用的是分布功能綜合技術。
對于SoC來說，應用電子系統的設計也是根據功能和參數要求設計系統，但與傳統方法有著本質的差別。SoC不是以功能電路為基礎的分布式系統綜合技術。而是以功能IP為基礎的系統固件和電路綜合技術。首先，功能的實現不再針對功能電路進行綜合，而是針對系統整體固件實現進行電路綜合，也就是利用IP技術對系統整體進行電路結合。其次，電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關。因此，使設計結果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設計的結果十分接近理想設計目標。
SoC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術等，
