SOC与单片机应用技术的发展

引言

现场电子技术应用中包含了硬件（HW）、硬件加软件（HW+SW）、固件（FW）3个层次。这3个层次也可以说是现代电子技术应用的3人发展阶段。自1997年以来，电子技术应用又增加了一个新的层次——片上系统（SOC）层次。SOC技术概念和应用技术层次的出现，标志着现代电子技术应用进入了SOC阶段。

从各个发展阶段看，自HW+SW阶段开始，电子技术应用就与单片机紧密地联系在一起。在FW阶段，作为固件系统的重要核心技术，单片机又以嵌入式技术为基础，再次成为现代电子应用技术的核心技术之一，并为SOC应用技术提供了紧实的基础。

SOC为各种应用提供了一个新的实现技术。这种新的电子系统实现技术促使工业界在近3年中发生了巨大的变化，为信息技术的应用提供坚实的基础，因此，完全可以称之为SOC革命。同时，SOC也为单片机技术提供了更广阔的应用领域，使单片机应用技术发生了革命性的变化。

本文根据几年来对SOC技术和单片机应用技术发展的研究，对SOC的基本技术概念以及单片机与SOC技术的关系进行了讨论，指出了SOC中单片机嵌入式应用的技术特点。

一、SOC技术与应用概念

所谓SOC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

1.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，须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， 对于须要实现数字化的系统，往往还须要有单片机等参与，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。

2.固件集成是SOC的基础设计思想

在传统分布式综合设计技术中，系统的固件特性往往难以达到最优，原因是所使用的是分布式功能综合技术。一般情况下，功能集成电路为了满足尽可能多的使用面，必须考虑两个设计目标：一个是能满足多种应用领域的功能控制要求目标；另一个是要考虑满足较大范围应用功能和技术指标。因此，功能集成电路（也就是定制式集成电路）必须在I/O和控制方面附加若干电路，以使一般用户能得到尽可能多的开发性能。但是，定制式电路设计的应用电子系统不易达到最佳，特别是固件特性更是具有相当大的分散性。

    对于SOC来说，从SOC的核心技术可以看出，使用SOC技术设计应用电子系统的基本设计思想就是实现全系统的固件集成。用户只须根据需要选择并改进各部分模块和嵌入结构，就能实现充分优化的固件特性，而不必花时间熟悉定制电路的开发技术。固件基础的突发优点就是系统能更接近理想系统，更容易实现设计要求。

3.嵌入式系统是SOC的基本结构

在使用SOC技术设计的应用电子系统中，可以十分方便地实现嵌入式结构。各种嵌入结构的实现十分简单，只要根据系统需要选择相应的内核，再根据设计要求选择之相配合的IP模块，就可以完成整个系统硬件结构。尤其是采用智能化电路综合技术时，可以更充分地实现整个系统的固件特性，使系统更加接近理想设计要求。必须指出，SOC的这种嵌入式结构可以大大地缩短应用系统设计开发周期。

4.IP是SOC的设计基础

传统应用电子设计工程师面对的是各种定制式集成电路，而使用SOC技术的电子系统设计工程师所面对的是一个巨大的IP库，所有设计工作都是以IP模块为基础。SOC技术使应用电子系统设计工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师。由此可见，SOC是以IP模块为基础的设计技术，IP是SOC应用的基础。

5.SOC技术中的不同阶段

用SOC技术设计应用电子系统的几个阶段如图1所示。在功能设计阶段，设计者必须充分考虑系统的固件特性，并利用固件特性进行综合功能设计。当功能设计完成后，就可以进入IP综合阶段。IP综合阶段的任务利用强大的IP库实现系统的功能I。P结合结束后，首先进行功能仿真，以检查是否实现了系统的设计功能要求。功能仿真通过后，就是电路仿真，目的是检查IP模块组成的电路能否实现设计功能并达到相应的设计技术指标。设计的最后阶段是对制造好的SOC产品进行相应的测试，以便调整各种技术参数，确定应用参数。

二、SOC的应用概念

现代科学技术应用的重要特点之一，就是技术多样性、智能多变性和面向对象的系统设计性。所谓技术多样性，就是实现同一个应用电子系统可以有许多不同的设计方案供选择；而不同的设计方案就意味着必须使用不同的设计和生产技术。所谓知识多变性，是指在现代电子技术应用系统中，实现系统目标的基础理论和方法随着新知识的出现不断地在变化。这种变化不仅使应用电子系统技术指标发生变化，甚至改变了系统的整体结构。

随着现代信息和电子技术应用领域的不断拓宽，越来越多的应用领域提出了各种特殊要求。例如，航空航天领域要求的小体积大系统，信息应用领域提出的个性化等要求，都使得一般固件技术难以胜任。特别是在民用领域，重视个性化的产品设计概念使应用电子产品的更新速度极快，而且小批量多品种的要求也越来越高。这就是提出了小批量产品与成本、集成化与成本、产品研制周期与成本等一系列的问题。

SOC正是成为满足现代科学和工程技术发展的要求而产生的现代应用电子技术。传统的观念认为，只有大批量的产品才有集成的可能，才具有价格竞争优势。因此，到目前为止，大多数小批量产品，特别是研究性质的应用电子系统，一般都采用HW，HW+SW或FW技术实现。但随着SOC的出现、发展和成熟，这种现状已经发生极大的变化。SOC为现代电子工程师提供了一个快捷经济的系统设计方法，使那么传统观念上认为高性能、高复杂度、高成本的嵌入式结构，能够通过低成本的单片芯片实现。

1.SOC的设计观念

SOC的设计观念与传统设计观念完全不同。在SOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片；而是能实现设计功能的IP模块库。设计者不必要在众多的模块电路中搜索所须要的电路芯片，只需要根据设计功能和固件特性，选择相应的IP模块。这种电路的设计技术和综合方法，基本上消除了器件信息障碍，因为每一个应用设计都是一个专用的集成系统，都是一个专用的集成电路。换句话说，SOC的设计观念是“设计自己的专用集成电路”。从某种意义上讲，就是把用户变成了集成电路制造商。

2.高效便利的设计工具

由于IP是SOC的基础，所以，必须采用相应的EDA软件才能完成设计技术。如果没有高效便利的设计工具，SOC设计就是一句空话。实际上，传统应用电子系统设计工作对EDA和其他相应的设计软件并没很高的要求，只要求能提供相应的便利条件；而SOC设计则必须建立在EDA基础之上。例如，使用SOC技术设计一个智能温度控制系统，由于整个系统集成在一个芯片中，用户就必须能对其中的CPU核、存储器、A/D、模拟放大器等电路进行综合仿真，显然，必须要有一个高效便利的EDA工具才能完成这些工作。

三、SOC技术中的单片机

单片机现代电子技术应用中的主流技术，特别是在工业和民用的独立电子系统中，单片机起着系统核心的作用。由于单片机系统特有的固件特性，使单片机在SOC技术中占有重要的地位。

1.SOC中的单片机嵌入技术

随着电子技术的发展，特别是应用技术的飞速发展，单片机应用系统已经形成了常用的、独特的嵌入式结构。如不同系列的单片机，都是通过嵌入不同的CPU和其他辅助电路而形成的。目前，单片机已经成为CPU和其他辅助电路而形成的。目前，单片机已经成为IP库中的重要成员，而其嵌入式结构正是SOC的一种重要实现技术和方法。

用SOC设计单片机系统嵌入式结构，为设计者提供了现有技术所无法比拟的优越条件。设计者必在选择单片机的型号上下功夫；只须要根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机CPU内核，再根据需要选择其他的IP模块，就可以实现完整的系统。从某种意义上看，SOC为单片机应用提供了更广阔的应用技术，并赋予了单片机更强大的生命力。试想，如果整个SOC目标系统的核心是一个单片机CPU，那么，这个系统设计成功之后就不仅是真正意义上的单片机，而且还实现了真正的系统单片机。这正是单片机强大生命力的根源。

2.SOC中单片机系统优化

目前在单片机应用中，有相当一部分实际上并不能叫做单片机。因为许多应用中需要形成单片机的外部系统总线。因此，单片机资源的充分利用和避免形成外部总线，往往是单片机应用设计的主要追求目标。换句话说，优化问题是单片机应用中的一个重要问题。

例如，设计一个具有多个传感器的测试系统，往往须要根据单片机的特点设计相应的外部总线，应用系统由此而庞大。采用SOC技术后，系统不再需要外部总线，所选用单片机中不需要的资源也可以去除掉，只保留所需要的CPU等功能模块。这两种设计方法的方框图如图2所示。

    从图2中可以看出，设计人员不必为如何最大限度地利用单片机资源而发愁，可以根据自己的需要选择所需的电路，并与所熟悉单片机的CPU内核相结合。同时还把现有技术需要精密调整的前置电路（模拟信号处理部分）也全部安放在一块芯片中，从而避免了大量的PCB板调试工作。从“单片机必须实现系统单片化”的角度看，这种系统正是用户自己设计的专用单片机系统，而且是一个能实现全部系统功能的优化系统。这种系统的调试、测试方法与传统的单片机系统完全不同，已经成为一个能处理模块-数字混合信号的全新系统。因此，SOC技术使单片机应用系统实现了更高层次上的集成。

概括地说，SOC使单片机应用技术发生了革命性的变化，这个变化就是应用电子系统的设计技术，从选择厂家提供的定制产品时代进入了用户自行开发设计器件的时代。这标志着单片机应用的历史性变化，一个全新的单片机应用时代已经到来。

结束语

SOC成为新一代应用电子技术的核心已经成为不争的事实，这不仅是电子技术本身的革命性标志，也是电子技术应用的重大历史变化。SOC并不是凭空产生的；而是几十年应用技术积累和电子技术发展的必然结果，IP是SOC的基础就是有利的证明。

作为IP家庭中的一个重要分支，单片机应用也从定制系统应用技术发展成为SOC嵌入式应用技术。这对单片机应用工程师来说，不仅是用户技术发生了重大变化，更主要的是应用工程师面临着新的挑战。同时，SOC也向单片机应用技术展示了更为广阔的发展前景。