嵌入式单片机片上系统Soc有哪些知识?

一、片上系统简介:

从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键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,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP(Intellectual Property)核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品。

SoC定义的基本内容主要在两方面:其一是它的构成,其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:

1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;

2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;IP核复用技术在SoC芯片设计中被广泛采用。先进工艺条件下,SoC系统级芯片设计规模越来越大,芯片上所集成的IP种类和数量也随之暴增。IP数据如何高效管理和追踪变得尤为重要。[4] 

3) 超深亚微米(VDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。

SoC设计的关键技术

SoC关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术,

并且包含做嵌入式软件移植、开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域。

二、SoC有两个显著的特点:

一是硬件规模庞大,通常基于IP设计模式;

二是软件比重大,需要进行软硬件协同设计。

可以类比为城市相比农村的优势很明显:配套齐全、交通便利、效率高。SoC也有类似特点:在单个芯片上集成了更多配套的电路,节省了集成电路的面积,也就节省了成本,相当于城市的能源利用率提高了;片上互联相当于城市的快速道路,高速、低耗,原来分布在电路板上的各器件之间的信息传输,集中到同一个芯片中,相当于本来要坐长途汽车才能到达的地方,已经挪到城里来了,坐一趟地铁或BRT就到了,这样明显速度快了很多;城市的第三产业发达,更具有竞争力,而SoC上的软件则相当于城市的服务业务,不单硬件好,软件也要好;同样一套硬件,今天可以用来做某件事,明天又可以用来做另一件事,类似于城市中整个社会的资源配置和调度、利用率方面的提高。可见SoC在性能、成本、功耗、可靠性,以及生命周期与适用范围各方面都有明显的优势,因此它是集成电路设计发展的必然趋势。在性能和功耗敏感的终端芯片领域,SoC已占据主导地位;而且其应用正在扩展到更广的领域。单芯片实现完整的电子系统,是IC 产业未来的发展方向。

三、线上系统核心技术

  系统功能集成是SoC的核心技术。在传统的应用电子系统设计中,需要根据设计要求的功能模块对整个系统进行综合,即根据设计要求的功能,寻找相应的集成电路,再根据设计要求的技术指标设计所选电路的连接形式和参数。这种设计的结果是一个以功能集成电路为基础,器件分布式的应用电子系统结构。设计结果能否满足设计要求不仅取决于电路芯片的技术参数,而且与整个系统PCB版图的电磁兼容特性有关。同时,对于需要实现数字化的系统,往往还需要有单片机等参与,所以还必须考虑分布式系统对电路固件特性的影响。很明显,传统应用电子系统的实现采用的是分布功能综合技术。

对于SoC来说,应用电子系统的设计也是根据功能和参数要求设计系统,但与传统方法有着本质的差别。SoC不是以功能电路为基础的分布式系统综合技术。而是以功能IP为基础的系统固件和电路综合技术。首先,功能的实现不再针对功能电路进行综合,而是针对系统整体固件实现进行电路综合,也就是利用IP技术对系统整体进行电路结合。其次,电路设计的最终结果与IP功能模块和固件特性有关,而与PCB板上电路分块的方式和连线技术基本无关。因此,使设计结果的电磁兼容特性得到极大提高。换句话说,就是所设计的结果十分接近理想设计目标。

SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等。       

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