嵌入式与SoC

唯楚有才

SoC-技术与产业并行发展 -------------------------------------------------------------------------------- http://www.sina.com.cn 2003年12月28日 14:32 计算机世界网 　　作者张志敏简介：研究员，清华大学计算机系毕业，现任中科院计算所系统结构室副主任、苏州中科集成电路设计中心主任。曾较长时间从事三个航天重点型号研制与主持工作，历任设计师、主管设计师、副主任设计师、主任设计师及总体研究室主任，曾获航天部科技进步一、三等奖(阶段)，国防科学技术二等奖等若干项。参加中科院重大创新工程“龙芯1号微处理器设计与验证系统”和“高性能通用CPU研制开发”等项目，负责项目工程管理。主持龙芯1号芯片组——北桥芯片的研制开发。目前主持高速32位嵌入式CPU开发、SoC产品设计 研究及多处理器设计技术研究等工作，同时进行主板开发与系统应用研究，为CPU产业化提供技术支撑环境。　　从分立元件到集成电路再到SoC，这是微电子领域的重大革命。21世纪，集成电路将进入SoC时代。　　IC进入SoC时代　　随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上。SoC(片上系统)正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上;从广义角度讲，SoC就是一个微小型系统，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。SOC的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。在不久的将来，集成电路与电子整机之间的界限将被彻底打破。　　SoC就是将微处理器、模拟IP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(CSIC)，或是面向特定用途的标准产品(ASSP)。　　SoC是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡的性能改善(由于片内连线缩短)，降低风冷要求，减少系统开发商成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信息家电等。　　从分立元件到集成电路再到片上系统，这是微电子领域的几次革命。21世纪，集成电路将进入SoC时代。　　SoC发展中的焦点技术　　SoC设计准入的最大门槛是专门技术、IP库和SoC总线架构支持，需要广泛的多功能IP和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术，以满足客户产品开发的需求。由此许多第三方IP供应商得到快速发展，它们的成功要么具有独一无二的且极具价值的IP，要么具有良好声誉的库。SoC设计者通过重用证明了的IP，不仅利用了最新工艺技术优势，而且减少了开发周期和风险。　　SoC的发展离不开应用领域的需求牵引。进行片上系统设计时，首先要考虑的问题是系统的体系结构。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本，用户采用了SoC(芯片内部)总线、芯片间总线(如SPI、I2C、UART、并行总线)、板卡间总线(ISA、PCI、VME)、设备间总线(USB、1394、RS232)。SoC总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境：片上系统模块间不会面临干扰、匹配等传统问题；但是片上系统的时序要求却异常严格。 　　由于OpenCore和其他致力于开放知识产权(Open Intellectual Property)组织的大力推广(开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块)，用户在片上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。目前总线架构有很多种，包括IBM公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wishbone、MIPS技术公司的SoC-it以及CoreFram等。 　　SoC的发展重点主要包括：　　● 总线结构及互连技术，直接影响芯片总体性能发挥；　　● 软、硬件的协同设计技术，主要解决硬件开发和软件开发同步进行问题；　　● IP可重用技术，如何对其进行测试和验证；　　● 低功耗设计技术，主要研究多电压技术、功耗管理技术以及软件低功耗利用技术等；　　● 可测性设计方法学，研究eJTAG设计技术、批量生产测试问题；　　● 超深亚微米实现技术，研究时序收敛、信号完整性、天线效应等。　　SoC引领嵌入式处理器的发展　　SoC将引领新一代嵌入式处理器的技术发展，它是以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并在系统集成中追求产品系统最大包容性，能成功实现多学科的协作与融合。SoC设计技术为计算机专业人才介入IC设计领域提供了一个机会。不仅在SoC芯片设计上需要较强的计算机体系结构背景知识，而且SoC突出了软件开发的比重，需要计算机专业人士的介入，需要提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。　　SoC的发展将不断满足日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用、多媒体的信息处理等需求。SoC需具备LCD、USB、CAN、MAC/WLAN或IrDA通信接口等，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，甚至浏览器。　　SoC将满足人们以GUI屏幕为中心的多媒体界面与信息终端交互需求，如手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件、传送彩色图形/图像及语言同声翻译等。SoC将具有32位、64位RISC芯片或信号处理器DS