一文讀懂SoC的原理和技術(shù)應(yīng)用

SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說(shuō)來(lái)， SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

System on Chip，簡(jiǎn)稱Soc，也即片上系統(tǒng)。從狹義角度講,它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng),如果說(shuō)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(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

SoC定義的基本內(nèi)容主要在兩方面：其一是它的構(gòu)成，其二是它形成過(guò)程。系統(tǒng)級(jí)芯片的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)器模塊、和外部進(jìn)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(duì)于一個(gè)無(wú)線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實(shí)現(xiàn))以及微電子機(jī)械模塊,更重要的是一個(gè)SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。系統(tǒng)級(jí)芯片形成或產(chǎn)生過(guò)程包含以下三個(gè)方面:

1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;

2) 再利用邏輯面積技術(shù)使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開(kāi)發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用技術(shù),特別是大容量的存儲(chǔ)模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等;

3) 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)。

SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

SoC關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù),

并且包含做嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)研究,是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域

概念詳解

SoC是System on Chip的縮寫(xiě)，直譯是“芯片級(jí)系統(tǒng)”，通常簡(jiǎn)稱“片上系統(tǒng)”。因?yàn)樯婕暗健癈hip”，SoC身上也會(huì)體現(xiàn)出“集成電路”與“芯片”之間的聯(lián)系和區(qū)別，其相關(guān)內(nèi)容包括集成電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝、測(cè)試等等。跟“芯片”的定義類似，SoC更強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)整體，在集成電路領(lǐng)域，給它的定義為：由多個(gè)具有特定功能的集成電路組合在一個(gè)芯片上形成的系統(tǒng)或產(chǎn)品，其中包含完整的硬件系統(tǒng)及其承載的嵌入式軟件。

這意味著，在單個(gè)芯片上，就能完成一個(gè)電子系統(tǒng)的功能，而這個(gè)系統(tǒng)在以前往往需要一個(gè)或多個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。前面我們說(shuō)集成電路的時(shí)候提到過(guò)樓房對(duì)平房的集成，而SoC可以看作是城鎮(zhèn)對(duì)樓房的集成；賓館、飯店、商場(chǎng)、超市、醫(yī)院、學(xué)校、汽車站和大量的住宅，集中在一起，構(gòu)成了一個(gè)小鎮(zhèn)的功能，滿足人們吃住行的基本需求。目前SoC更多的是對(duì)處理器（包括CPU、DSP）、存儲(chǔ)器、各種接口控制模塊、各種互聯(lián)總線的集成，其典型代表為手機(jī)芯片（參見(jiàn)術(shù)語(yǔ)“終端芯片”的介紹）。目前SoC還達(dá)不到單芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品的程度，可以說(shuō)現(xiàn)在SoC只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小鎮(zhèn)的功能，還不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市的功能。

SOC集成電路

SoC有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是硬件規(guī)模龐大，通?；贗P設(shè)計(jì)模式；二是軟件比重大，需要進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。城市相比農(nóng)村的優(yōu)勢(shì)很明顯：配套齊全、交通便利、效率高。

SoC也有類似特點(diǎn)：在單個(gè)芯片上集成了更多配套的電路，節(jié)省了集成電路的面積，也就節(jié)省了成本，相當(dāng)于城市的能源利用率提高了；片上互聯(lián)相當(dāng)于城市的快速道路，高速、低耗，原來(lái)分布在電路板上的各器件之間的信息傳輸，集中到同一個(gè)芯片中，相當(dāng)于本來(lái)要坐長(zhǎng)途汽車才能到達(dá)的地方，現(xiàn)在已經(jīng)挪到城里來(lái)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(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，更具有競(jìng)爭(zhēng)力，而SoC上的軟件則相當(dāng)于城市的服務(wù)業(yè)務(wù)，不單硬件好，軟件也要好；同樣一套硬件，今天可以用來(lái)做某件事，明天又可以用來(lái)做另一件事，類似于城市中整個(gè)社會(huì)的資源配置和調(diào)度、利用率方面的提高。

可見(jiàn)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(yōu)勢(shì)，因此它是集成電路設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前在性能和功耗敏感的終端芯片領(lǐng)域，SoC已占據(jù)主導(dǎo)地位；而且其應(yīng)用正在擴(kuò)展到更廣的領(lǐng)域。單芯片實(shí)現(xiàn)完整的電子系統(tǒng)，是IC 產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。