系统级芯片(SoC)的复杂设计选择（一）

姓名：任佩怡     学号：19020100348     学院：电子工程学院

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【嵌牛导读】系统级芯片(SoC)是一个将计算处理器和其它电子系统集成到单一芯片的集成电路。SoC可以处理数字信号、模拟信号、混合信号，甚至射频信号，常常应用在嵌入式系统中。

【嵌牛鼻子】内核、IP、EDA和NoC 

【嵌牛提问】SOC设计选择

【嵌牛正文】

       尽管微控制器(MCU)通常只有不到100 kB的RAM，但是事实上它是一种简易、功能弱化的SoC。而“系统级芯片”这个术语常用来指功能更加强大的处理器，比如可以支持运行Windows或Linux操作系统的处理器芯片。高性能系统级芯片集成了更多更强的功能模块，一般都配备有外部存储器，比如闪存。此外，系统级芯片往往配置有很多外部接口，可以连接各种外部设备。为了更快地执行复杂任务，一些SoC还采用了多个处理器内核。SoC的功能、性能和应用越来越复杂，对芯片设计和晶圆制造也提出了更高的要求。

       不同的SoC类型有不同的应用场景，围绕微控制器(MCU)构建的系统级芯片一般用于计算性能要求不高的消费电子、家电和IoT产品。基于微处理器(MPU)的SoC在性能和功能方面相对较高，比如手机的应用处理器(AP)。还有一种可以编程的SoC(PSoC)，其部分功能可以灵活编程，就像FPGA一样。当然，针对某些特定应用领域而定制开发的SoC可能更为复杂，比如集成ADC/DAC、显示驱动，以及无线射频等功能模块。

SoC基本构成

典型的系统级芯片结构包括以下部分：

至少一个微控制器(MCU)或微处理器(MPU)或数字信号处理器(DSP)，但是也可以有多个处理器内核;

存储器可以是RAM、ROM、EEPROM和闪存中的一种或多种;

用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路;

由计数器和计时器、电源电路组成的外设;

不同标准的连线接口，如USB、火线、以太网、通用异步收发和序列周边接口等;

用于在数字信号和模拟信号之间转换的ADC/DAC;

电压调理电路及稳压器。

基于微控制器(MCU)的系统级芯片结构示意图(来源：维基百科)

有的系统级芯片还包含无线连接模块，比如蓝牙，最新的SoC设计甚至还内置AI引擎。

数据的流动主要借助了片上系统中的I/O总线，例如Arm提供的AMBA标准。采用DMA控制器则可以让外部数据直接被传送到存储器，无需经过中央处理器，这可以大大改善数据吞吐的效率。最近10年来，SoC设计的一个趋势是采用基于网络的拓扑结构，来提高片上通信的效率。这种基于路由的数据包互连网络称为“片上网络“(NoC)，可以克服基于传统总线网络的带宽瓶颈。

SoC设计流程

一个完整的系统级芯片由硬件和软件两部分组成，其中软件用于控制硬件部分的微控制器、微处理器或数字信号处理器内核，以及外部设备和接口。系统级芯片的设计流程主要是其硬件和软件的协同设计。

由于系统级芯片的集成度越来越高，设计工程师必须尽可能采取可复用的设计思路。现今大部分SoC都使用预定义的IP核(包括软核、硬核和固核)，以可复用设计的方式来完成快速设计。在软件开发方面，协议栈是一个重要的概念，它用来驱动USB等行业标准接口。在硬件设计方面，设计人员通常使用EDA工具将已经设计好(或者购买)的IP核连接在一起，在一个集成开发环境(IDE)下集成各种子功能模块。

系统级芯片的设计流程示意图(来源：维基百科)

      芯片设计在被送到晶圆厂进行流片生产之前，设计人员会采取不同方式对其逻辑功能进行验证。仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80% ，采用先进的设计与仿真验证方法已成为SoC设计成功的关键。

系统级芯片(SoC)的复杂设计选择

       SoC设计的发展趋势是基于SoC开发平台进行设计，这是一种可以达到最大程度系统重用、面向集成的设计方法，可以分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链。在重点考虑面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI 噪声、成本、易用性等方面转移，使系统级集成能力快速提升。

       SoC设计工程师所面对的选择很多，包括处理器内核、各种IP模块、EDA工具和开发环境，以及RF射频模块、片上网络(NoC)和FPGA等，如何做出符合自己应用和设计需要的最佳选择成了一大难题。