SoC技術(shù)原理與應(yīng)用.ppt

SoC技術(shù)原理與應(yīng)用,主 講：郭 兵 單 位：四川大學(xué)計(jì)算機(jī)（軟件）學(xué)院 電 話：勁舞團(tuán)SF /,教學(xué)大綱,第一章 緒論 (1周) 第二章 嵌入式軟件工程 (2周) 第三章 VLSI集成電路 (2周) 第四章 IP核的設(shè)計(jì)、選擇與驗(yàn)證 (2周) 第五章 SoC設(shè)計(jì)與測試 (2周),課堂討論 (2周) 第六章 家庭網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2周) 第七章 HGSOC芯片設(shè)計(jì)方案 (2周) 第八章 HGSOC平臺解決方案的測試與驗(yàn)證 (1周) 第九章 SoC技術(shù)的應(yīng)用與研究展望 (1周),參 考 書 - 1 郭兵, 沈艷. SoC技術(shù)原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社, 2006. 2 羅勝欽. 數(shù)字集成系統(tǒng)芯片（SoC）設(shè)計(jì). 北京希望電子出版社，2003. 3 Rochit Rajsuman著，于敦山，盛世敏，田澤譯. SoC設(shè)計(jì)與測試. 北京航空航天大學(xué)出版社，2003.,第一章 緒論,嵌入式系統(tǒng),主要內(nèi)容,微電子技術(shù),SoC技術(shù),SoC技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀,課程簡介,1.1、嵌入式系統(tǒng),1.1.1 嵌入式系統(tǒng)定義 1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成 1.1.3 嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1.1.4 嵌入式軟件開發(fā)平臺,1.1.1、嵌入式系統(tǒng)定義,嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），全稱嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Embedded Computer System），是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟/硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境（Real world）對功能、實(shí)時(shí)性、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格約束的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 由于嵌入式系統(tǒng)一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real-Time System），隨應(yīng)用環(huán)境不同，實(shí)時(shí)性有強(qiáng)、弱之分，因此，也被稱為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Embedded Real-Time System）。 在本課中，如無特別說明，嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是指嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，二者的含義是等價(jià)的。,嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器（主要由464位的MPU、MCU和DSP組成）、存儲器、I/O接口等硬件及其軟件組成，通常以SoC、單板機(jī)、多板式箱體結(jié)構(gòu)、嵌入式PC等形式嵌入到各式各樣的設(shè)備或大系統(tǒng)（如數(shù)字移動電話、路由器、導(dǎo)彈、信息家電等）中，作為設(shè)備或大系統(tǒng)的處理和控制核心。嵌入式系統(tǒng)的狹義定義是指主要由16位及16位以上的MPU、MCU和DSP組成，其應(yīng)用程序的運(yùn)行一般需要一個(gè)RTOS的支持，這是它不同于過去許多單片機(jī)或單板機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵之處。在本課中主要使用嵌入式系統(tǒng)的狹義定義。 簡而言之，嵌入式系統(tǒng)是將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)應(yīng)用于其它非計(jì)算機(jī)類的專用設(shè)備中。,與通用臺式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個(gè)重要特點(diǎn)： 專用性; 嚴(yán)格的約束; 反應(yīng)性與實(shí)時(shí)性; 嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性和綜合性都非常強(qiáng)的前沿技術(shù)，是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電子系統(tǒng)技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。,隨著“Post-PC”時(shí)代的來臨，據(jù)稱95的微處理器將用于嵌入式系統(tǒng)，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)最熱門的技術(shù)之一。其應(yīng)用范圍非常廣泛，大到載人航天器、程控交換機(jī)，小到數(shù)字化時(shí)鐘、無線傳感器節(jié)點(diǎn)，遍布于我們生活的方方面面，可以說是“Embedded Everywhere（無處不在的嵌入）”和“Ubiquitous Computing（無處不在的計(jì)算）” ，如消費(fèi)電子產(chǎn)品 、家用電器產(chǎn)品 、辦公自動化設(shè)備 、商用設(shè)備 、通信設(shè)備 、軍事武器裝備 、醫(yī)療設(shè)備 、車用設(shè)備。,1.1.2、嵌入式系統(tǒng)的組成,從圖1-2可以看出，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器等硬件和RTOS、嵌入式應(yīng)用程序等軟件組成。,嵌入式系統(tǒng)的硬件組成主要包括： （1）嵌入式微處理器：可分成MCU、MPU和DSP三類，目前市場上有上千種嵌入式微處理器，用得比較廣泛的有ARM公司的ARM系列微處理器、Motorola公司的Power PC和MC68000微處理器、MIPS公司的MIPS系列微處理器、TI公司的系列DSP等。 （2）存儲器：常用的有靜態(tài)存儲器（SRAM）、動態(tài)存儲器（DRAM）、只讀存儲器（ROM）、閃存（Flash ROM），每種存儲器各有其用途和優(yōu)缺點(diǎn)。 （3）I/O接口：種類繁多，如UART、并口、I2C、SPI、USB（通用串行接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、IEEE 1492、IEEE 802.11、IRDA（紅外線接口）、BlueTooth、GSM、CDMA、JTAG等。 （4）I/O設(shè)備：如LCD、LED、鍵盤、面板開關(guān)、各種傳感器/執(zhí)行器等。 （5）其它電路：如A/D、D/A、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源模塊等。,嵌入式系統(tǒng)的軟件組成可分為以下四個(gè)層次： （1）BSP（Board Support Package）：即設(shè)備驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)RTOS與硬件設(shè)備的信息交換，包括硬件的初始化、讀、寫、查詢等操作，并給操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動接口。 （2）RTOS（Real-Time Operating System實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、存儲分配、時(shí)鐘管理和中斷管理，并提供文件、GUI、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等功能。 （3）API（Application Programming Interface應(yīng)用編程接口）：為編制應(yīng)用程序提供的各種編程接口庫（Lib）。 （4）嵌入式應(yīng)用程序：為滿足嵌入式系統(tǒng)各種應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序，如手機(jī)上的Editor、 Notebook和游戲，路由器上的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，數(shù)字電視上的瀏覽器等。,目前有許多不同類型的嵌入式系統(tǒng)，根據(jù)Koopman，1999的分類，可以分為以下四種類型： （1）通用計(jì)算：應(yīng)用程序與臺式機(jī)類似，但在一個(gè)嵌入式軟件包中，如Video games、Set-top boxes、Wearable computers和Automated tellers。 （2）控制系統(tǒng)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，如Vehicle engines、Chemical processes、Nuclear power和Flight control systems。 （3）信號處理：涉及大數(shù)據(jù)流的計(jì)算，如Radar、Sonar和Video compression/de-compression。 （4）通信和網(wǎng)絡(luò)：信息交換和傳輸，如電話系統(tǒng)和INTERNET設(shè)備。,1.1.3、嵌入式系統(tǒng)開發(fā),嵌入式系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩部分組成，因此，其開發(fā)過程大致可分為需求分析、規(guī)格說明、硬件/軟件分解、硬件/軟件設(shè)計(jì)、硬件/軟件實(shí)現(xiàn)、集成測試、產(chǎn)品分配與維護(hù)等六個(gè)階段。通常，在嵌入式系統(tǒng)硬件/軟件分解結(jié)束后，開發(fā)人員分別獨(dú)立進(jìn)行嵌入式硬件和嵌入式軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并在軟件實(shí)現(xiàn)、硬件制造完成后，進(jìn)行整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的集成測試（如圖1-3（a）所示）。目前，更先進(jìn)的方法是建立軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（Co-design）和協(xié)同驗(yàn)證（Co-verification）環(huán)境，對嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同驗(yàn)證，大大縮短嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試時(shí)間（如圖1-3（b）所示）。,嵌入式硬件開發(fā)過程一般有以下三種方式： （1）采用SystemC、System Verilog、Handel-C、SpecC等系統(tǒng)建模語言，描述系統(tǒng)和算法的功能及處理過程，經(jīng)綜合（Synthesize）后輸出經(jīng)過優(yōu)化的EDIF網(wǎng)表；或者采用硬件描述語言VHDL或Verilog HDL描述硬件功能和結(jié)構(gòu)，然后使用EDA工具生成原理圖，再利用原理圖進(jìn)行系統(tǒng)仿真，經(jīng)過FPGA中試后，最后交付生產(chǎn)廠家生產(chǎn)ASIC芯片； （2）直接使用EDA工具進(jìn)行布線設(shè)計(jì)PCB板，經(jīng)過測試后，交付生產(chǎn)廠家生產(chǎn)。 （3）選擇、外購成熟的商業(yè)硬件產(chǎn)品，包括芯片、線路板和外設(shè)等。,嵌入式軟件開發(fā)，主要是指RTOS之上的應(yīng)用程序開發(fā)，開發(fā)過程一般采用嵌入式軟件工程（Software Engineering for Embedded Real-Time System）生命周期的瀑布模型，并可考慮快速原型方法。由于嵌入式系統(tǒng)受資源限制，不可能建立龐大、復(fù)雜的開發(fā)平臺，其開發(fā)平臺和目標(biāo)運(yùn)行平臺往往相互分離。因此，嵌入式軟件的開發(fā)方式一般是（如圖1-4所示），在主機(jī)（Host）上建立開發(fā)平臺，進(jìn)行應(yīng)用程序的分析、設(shè)計(jì)、編碼，然后主機(jī)同目標(biāo)機(jī)（Target）建立連接，將經(jīng)交叉編譯（Cross compiling）后的應(yīng)用程序目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行交叉調(diào)試（Cross debugging）、性能優(yōu)化分析（Profiling）和測試，最后將應(yīng)用程序“固化（Burning）”到目標(biāo)機(jī)中實(shí)際運(yùn)行。,1.1.4、嵌入式軟件開發(fā)平臺,嵌入式軟件開發(fā)平臺（Development Platform）是為用戶開發(fā)（包括需求分析、規(guī)格說明、設(shè)計(jì)、編碼、測試、產(chǎn)品分配與維護(hù)等階段）嵌入式應(yīng)用程序而提供的高起點(diǎn)、綜合的支撐環(huán)境（Supporting Environment），包括面向領(lǐng)域的應(yīng)用程序基本框架、可復(fù)用的組件庫、參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用示例、開發(fā)工具集、RTOS、相關(guān)文檔以及對平臺進(jìn)行管理、配置的設(shè)施等技術(shù)實(shí)體，主要功能是將工具集成在一起支持某種軟件開發(fā)方法或與某種軟件開發(fā)模型相適應(yīng)，是用戶開發(fā)應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)知識成果的積累和復(fù)用，是平臺開發(fā)模式思想的集中體現(xiàn)。,通常，嵌入式軟件開發(fā)平臺支持嵌入式軟件生命周期中的一個(gè)或多個(gè)開發(fā)階段，甚至全部階段，如設(shè)計(jì)平臺、IDE（主要支持編碼階段的開發(fā)平臺）、測試平臺、維護(hù)平臺等，而能夠支持嵌入式軟件生命周期中大部分階段或全部階段的開發(fā)平臺，一般稱之為實(shí)時(shí)CASE（CASE for Real-Time System面向嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助軟件工程）環(huán)境。,目前與RTOS緊密結(jié)合、支持編碼階段的開發(fā)平臺使用的較為廣泛，主要有WindRiver公司的產(chǎn)品WorkBench、ISI公司（該公司目前已被WindRiver公司兼并）的產(chǎn)品pRISM+、Microtec公司的產(chǎn)品Spectra、Microsoft公司的產(chǎn)品Windows CE Platform Builder、Green Hills公司的MULTI 2000等。 許多實(shí)時(shí)CASE環(huán)境也得到了廣泛的應(yīng)用，如瑞典Telelogic公司的產(chǎn)品TAU、法國Verilog公司的產(chǎn)品ObjectGeode以及用于安全關(guān)鍵系統(tǒng)的產(chǎn)品SCADE、美國I-logix公司的產(chǎn)品Rhapsody和美國Rational公司的產(chǎn)品Rational Rose RealTim等。,1.2、微電子技術(shù),1.2.1 微電子技術(shù)的發(fā)展 1.2.2 VLSI 集成電路設(shè)計(jì),1.2.1、微電子技術(shù)的發(fā)展,自1947年晶體管發(fā)明以來，微電子技術(shù)在迄今為止的50多年的時(shí)間里得到了驚人的飛速發(fā)展。微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能和性價(jià)比，這是半導(dǎo)體工藝不斷提高的動力源泉。遵循特征尺寸平均每三年縮小倍、集成度平均每三年增加4倍、芯片尺寸每年提高12%的Moore定律，集成電路（IC）制造的特征尺寸先后從最初的10m以上縮小到5m、1m、0.5m，并在1997年前后縮小至0.35m，半導(dǎo)體工藝自此進(jìn)入深亞微米階段（線寬0.5m）。同時(shí)，IC芯片的規(guī)模在依次經(jīng)歷小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、大規(guī)模（LSI）和超大規(guī)模（VLSI）階段后，如今已發(fā)展到特大規(guī)模（GSI）階段。,目前0.18m0.09m線寬已成為主流生產(chǎn)技術(shù)，世界上最先進(jìn)的超深亞微米技術(shù)（線寬0.25m）0.07m和0.04m的器件已在實(shí)驗(yàn)室中制備成功，預(yù)計(jì)2015年微電子技術(shù)的特征尺寸將達(dá)到0.025m的“極限”水平。 超深亞微米技術(shù)的出現(xiàn)，對人類生產(chǎn)和生活的影響重大。目前，微電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)，乃至家庭生活的各個(gè)方面。實(shí)現(xiàn)人類社會信息化所需要的中高檔的通信與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、電子電器等消費(fèi)產(chǎn)品，增強(qiáng)未來國防信息戰(zhàn)實(shí)力所需要的高速大容量通信、高速計(jì)算機(jī)、高速信息處理及高性能的測量儀表等系統(tǒng)，無不需要高性能的集成電路來實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件。,1.2.2、VLSI集成電路設(shè)計(jì),VLSI集成電路設(shè)計(jì)主要根據(jù)芯片的功能和性能要求，經(jīng)歷若干步驟，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到芯片封裝測試等。目前幾乎在集成電路的每個(gè)環(huán)節(jié)上都要使用EDA工具，而不同的EDA公司提供了自己的設(shè)計(jì)工具和方案。這些設(shè)計(jì)方案可歸納、抽象為如圖1-5所示的IC設(shè)計(jì)流程。,在實(shí)際IC設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員將依賴EDA工具來完成設(shè)計(jì)。由于不同設(shè)計(jì)任務(wù)具有其特殊的要求，且各個(gè)EDA公司在IC設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)上具有各自的優(yōu)勢，如Cadence公司擅長于前仿真和后端布圖、Synopsys公司的邏輯綜合工具Design Compiler具有絕對優(yōu)勢、Metor Grahics公司在自動測試與提取驗(yàn)證方面占有一定的優(yōu)勢。因此，在一個(gè)芯片設(shè)計(jì)工作中，首先要根據(jù)具體要求選配各環(huán)節(jié)的EDA工具，處理好不同的EDA工具間文件交換可能出現(xiàn)的問題。此外，根據(jù)芯片的具體要求在設(shè)計(jì)中還可增加功耗分析與優(yōu)化、靜態(tài)時(shí)序分析、形式驗(yàn)證、時(shí)鐘綜合和測試綜合等。完成這些工作后，可將網(wǎng)表等前端設(shè)計(jì)文件提交給IC制造商或設(shè)計(jì)服務(wù)公司，進(jìn)行IC后端設(shè)計(jì)及制造。通常后端設(shè)計(jì)與前端設(shè)計(jì)需要非常耗時(shí)的多次反復(fù)確認(rèn)后，才能到IC Fundry（代工）廠家進(jìn)行投片（Tape-out出帶）生產(chǎn)。,1.3、SoC技術(shù),1.3.1 SoC的定義及特點(diǎn) 1.3.2 SoC的典型結(jié)構(gòu) 1.3.3 SoC的設(shè)計(jì),1.3.1、SoC的定義及特點(diǎn),深亞微米技術(shù)的出現(xiàn)，使得整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片，即系統(tǒng)芯片（System-on-a-Chip）成為可能。系統(tǒng)芯片SoC（System-on-a-Chip），又稱系統(tǒng)級集成電路SLI（System Level IC），是指在單一硅片上集成數(shù)字和模擬混合電路，包括嵌入式核（如MPU、MCU或DSP）、存儲器（如SRAM、SDRAM、Flash ROM）、專用功能模塊（如ADC、DAC、PLL、2D/3D圖形運(yùn)算單元）、I/O接口模塊（如USB、UART、Ethernet等）等多種功能的模塊，也就是說可將現(xiàn)有的專用標(biāo)準(zhǔn)集成電路（ASSP）、專用集成電路（ASIC）、存儲器、邏輯電路、模擬電路、PLD等統(tǒng)統(tǒng)做在一個(gè)芯片上，甚至包括相應(yīng)的嵌入式軟件（包含嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和嵌入式應(yīng)用軟件等），實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，這樣就可以將原來需要幾個(gè)、幾十個(gè)乃至上百個(gè)IC電路組成的印制電路板全部集成在一個(gè)芯片上，因此，它也稱為片上系統(tǒng)。,SoC是在ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與一般ASIC相比，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不再是功能單一的單元電路，而是一個(gè)有某種應(yīng)用目的的單片電子系統(tǒng)。 SoC不僅提高了IC的密度和速度，而且可以減少成本。21世紀(jì)微電子技術(shù)領(lǐng)域在芯片級上的必然發(fā)展方向就是集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS：Integrated System，系統(tǒng)由一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)芯片構(gòu)成）發(fā)展，這是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命。狹義的IS就是SoC，廣義的IS則指類似微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）等的微系統(tǒng)。半導(dǎo)體界普遍認(rèn)為20世紀(jì)是IC的時(shí)代，21世紀(jì)將是IS的時(shí)代。,SoC從整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的角度出發(fā)，把模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路甚至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來考慮，在單個(gè)芯片上一次性完成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能。SoC作為一種專用器件，單個(gè)芯片本身就是系統(tǒng)，大大減少了通過“二次集成”構(gòu)成SOB（System-On-a-Board）系統(tǒng)的工作量。由于沒有多次集成的附加效應(yīng)，因此，SoC對整個(gè)系統(tǒng)性能可提出幾乎是無止境的要求。很多研究表明，由于IS設(shè)計(jì)能夠全盤考慮整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)以及滿足更低的成本目標(biāo)，如采用IS方法和0.35m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠達(dá)到相當(dāng)于采用0.1m工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)同樣系統(tǒng)的功能。同時(shí)，所需要的晶體管數(shù)目與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)相比可以降低23個(gè)數(shù)量級。因此，開發(fā)SOC的根本目標(biāo)是提高性能和降低成本。,1.3.2、SoC的典型結(jié)構(gòu),從外觀看，SoC是一個(gè)芯片，通常是客戶定制（CSIC），或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）；從組成和功能上看，SoC是一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從圖1-6中可以看出： （1）SoC芯片的結(jié)構(gòu)通常以總線結(jié)構(gòu)（單總線/多總線）為主，目前存在多種片上總線規(guī)范（如AMBA、CoreConnect、WishBone等）相互競爭，其技術(shù)要求與一般計(jì)算機(jī)的總線有類似之處，也有不同之處。 （2）SoC芯片以MPU/MCU/DSP為核心，通過總線與其它模塊相互連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通訊控制等功能，形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 （3）軟件存儲在Flash ROM等非易失ROM中，由MPU/MCU/DSP解釋、執(zhí)行，完成相應(yīng)的處理功能。 （4）在SOC芯片中，既有MPU/MCU/DSP等數(shù)字集成電路，根據(jù)應(yīng)用需要，也可以加入ADC、DAC、電源管理等模擬集成電路，或Tranceiver（收發(fā)器）等射頻集成電路。因此，SoC芯片是一個(gè)數(shù)/模混合電路的芯片。 （5）SoC芯片是一個(gè)軟/硬件統(tǒng)一的產(chǎn)物，根據(jù)需要，一部分功能可以由硬件實(shí)現(xiàn)，另一部分功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮軟/硬件功能劃分的問題。,1.3.3、SoC的設(shè)計(jì),SoC（System-On-a-Chip片上系統(tǒng)或系統(tǒng)芯片）是嵌入式系統(tǒng)的一種新形式，通常在一塊硅片里實(shí)現(xiàn)了能夠完成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能所需的硬件集成電路和嵌入式軟件，屬于計(jì)算機(jī)與微電子的新興交叉學(xué)科。SoC設(shè)計(jì)包括IC設(shè)計(jì)和嵌入式軟件開發(fā)兩方面的內(nèi)容，需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微處理器、數(shù)字集成電路、模擬/射頻集成電路、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用軟件等多方面的知識和技能。 從SoC的組成來看，SoC中包含軟件和硬件，首先，需要從嵌入式系統(tǒng)角度定義其功能規(guī)范，然后，根據(jù)應(yīng)用的性能要求，確定系統(tǒng)功能的軟/硬件劃分實(shí)現(xiàn)。軟件按照嵌入式軟件工程的方法實(shí)現(xiàn)，硬件按照VLSI集成電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，或者采用軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行系統(tǒng)的集成驗(yàn)證與測試。,正是由于SoC技術(shù)是一個(gè)全新的概念，因此，它引發(fā)了人們對其一系列新的支撐技術(shù)的重視和研究。SoC是以超深亞微米工藝、IP核*（Intellectual Property Core知識產(chǎn)權(quán)核）復(fù)用技術(shù)、軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和相應(yīng)的EDA工具為支撐而形成。因此，超深亞微米物理設(shè)計(jì)與分析、IP 核（Intellectual Property Core知識產(chǎn)權(quán)核或芯核）的復(fù)用和SoC的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證（包括軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、仿真、一致性驗(yàn)證Formality Verification、時(shí)序和功耗分析等）是當(dāng)前SoC設(shè)計(jì)研究的三個(gè)主要問題。其中第一個(gè)問題屬基礎(chǔ)的物理設(shè)計(jì)范疇，后兩個(gè)問題屬設(shè)計(jì)方法學(xué)范疇。 *從可綜合角度看，IP核可分為可綜合IP核和仿真IP核，在本課中，不加特殊聲明，IP核一般指的是可綜合IP核。,（1）超深亞微米集成電路設(shè)計(jì) 由于SoC芯片主要采用超深亞微米工藝制造，因此，SoC設(shè)計(jì)必須解決超深亞微米工藝帶來的自身乃至設(shè)計(jì)中的一系列問題，如版圖布線的負(fù)荷已成為主要的時(shí)序影響因素，當(dāng)生產(chǎn)工藝小于 0.35um以下時(shí)，因?yàn)椴季€而造成的時(shí)序差異和延遲常常超過模塊中電路設(shè)計(jì)的差異和延遲；超深亞微米工藝很小的線間距和層間距帶來的線間和層間的信號耦合作用，以及很高的系統(tǒng)工作頻率，產(chǎn)生天線效應(yīng)（Antenna effect：當(dāng)走線過長時(shí)產(chǎn)生的天線效應(yīng)會對電路的時(shí)序產(chǎn)生影響）、電磁干擾、信號串?dāng)_（Cross talk: 當(dāng)兩條平行的走線非?？拷臅r(shí)候，它們之間的偶合效應(yīng)會產(chǎn)生交叉干擾）等互連效應(yīng)問題，需要更精確的器件與連線模型。,（2） IP核的生成及復(fù)用 所謂設(shè)計(jì)復(fù)用（Design Reuse），實(shí)際上包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，涉及設(shè)計(jì)資料復(fù)用技術(shù)和如何生成可被他人復(fù)用的設(shè)計(jì)資料。前者通常被稱為IP復(fù)用（IP Reuse），因?yàn)榭梢员环磸?fù)使用的設(shè)計(jì)資料通常具備比較復(fù)雜的功能，且經(jīng)過驗(yàn)證，后者則涉及到如何去生成IP核。 IP核的生成具有與常規(guī)的集成電路設(shè)計(jì)不同的特點(diǎn)，像時(shí)序、測試和低功耗等雖然是集成電路設(shè)計(jì)中的經(jīng)典問題，但是直接將已有的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到IP核的設(shè)計(jì)中就會出現(xiàn)許多意想不到的困難。由于IP核的特殊性和集成電路開發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)性，IP核的使用決不是這些IP核的簡單堆砌，使用過程中不僅僅要考慮它們的功能，更要使它們?nèi)谌隨oC芯片中。所以，IP核的使用需要綜合考慮諸多因素，以為有了IP核就可以進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)的想法不免過于天真。 因此，IP核開發(fā)及復(fù)用是實(shí)現(xiàn)高性能、高效率設(shè)計(jì)的首要手段。對于已有的IP核，優(yōu)先選擇芯片面積最小、運(yùn)行速度最快、功率消耗最低、工藝容差最大的IP核。實(shí)現(xiàn)SoC的關(guān)鍵之一就是通過設(shè)計(jì)和復(fù)用，建立子系統(tǒng)IP庫。,（3）軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì) SoC設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)便是從嵌入式系統(tǒng)角度出發(fā)設(shè)計(jì)芯片，需進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)功能定義與描述，并需兼顧考慮可測試性設(shè)計(jì)與功耗管理等，它必然要求軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。,綜上，SoC技術(shù)被廣泛認(rèn)同的根本原因，并不在于SoC可以集成多少個(gè)晶體管，而在于SoC可以用較短時(shí)間被設(shè)計(jì)出來，這是SoC的主要價(jià)值所在縮短產(chǎn)品的上市周期。因此，從硬件角度看，SoC是在一個(gè)芯片上由于廣泛使用預(yù)定制IP模塊而得以快速開發(fā)的集成電路；從設(shè)計(jì)上來說，SoC就是一個(gè)通過設(shè)計(jì)復(fù)用（包括軟件復(fù)用和硬件復(fù)用）達(dá)到高生產(chǎn)率的軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程；從方法學(xué)的角度來看，SoC是一套基于VLSI集成電路的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)，包括系統(tǒng)建模方法學(xué)、嵌入式軟件工程、IP核可復(fù)用設(shè)計(jì)與測試方法及接口規(guī)范、SoC總線式集成設(shè)計(jì)方法學(xué)、SoC驗(yàn)證與測試方法學(xué)等。,1.4、SoC技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀,從上世紀(jì)60年代開始至今，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)，初步形成了由8個(gè)芯片生產(chǎn)骨干企業(yè)、三十幾個(gè)封裝測試廠、四百余家設(shè)計(jì)公司、若干個(gè)關(guān)鍵材料及專用儀器制造廠組成的產(chǎn)業(yè)群體，并呈現(xiàn)出電路設(shè)計(jì)、芯片制造和電路封裝三業(yè)并舉的局面。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國際集成電路產(chǎn)業(yè)布局的重大調(diào)整，到2001年12月29日，科技部依次批準(zhǔn)了上海、西安、無錫、北京、成都、杭州、深圳共7個(gè)國家級IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地。七個(gè)基地城市的地理位置正好象一只起飛的矯燕，長江三角洲是燕頭，京津和珠江三角洲是燕的雙翅，西部是燕尾。隨后，北京、上海、深圳等城市也都出臺了一系列優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)I(lǐng)C設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試等相關(guān)企業(yè)落戶。,目前我國的半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)可分為三大類： （1）IC設(shè)計(jì)：大部分是Fabless（無生產(chǎn)線）設(shè)計(jì)公司，國內(nèi)半導(dǎo)體芯片廠家的主流產(chǎn)品是5至6英寸硅片，大約占總量的三分之二強(qiáng)。隨著上海華虹NEC公司8英寸生產(chǎn)線的投產(chǎn)，6至8英寸硅片的需求量將上升。IC設(shè)計(jì)以人為主，腦力密集型，屬高回報(bào)產(chǎn)業(yè)。 （2）芯片加工：我國集成電路芯片制造廠家（Foundry）現(xiàn)己相對集中，主要分布在上海、北京、江蘇、浙江、廣東等省市。 （3）后工序：主要指測試、封裝和設(shè)備制造等。 目前除了英特爾、AMD、IBM這些芯片巨頭仍然采用設(shè)計(jì)、制造一體化（IDM）模式外，全球半導(dǎo)體行業(yè)已普遍走向設(shè)計(jì)與制造分立運(yùn)行的F&F模式，即Foundry（代工）+ Fabless（無生產(chǎn)線芯片設(shè)計(jì)），這為中國IC設(shè)計(jì)服務(wù)企業(yè)的發(fā)展帶來了一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇。,SoC作為IC產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品，一出現(xiàn)即受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。2002年，國家自然科學(xué)基金委員會將“半導(dǎo)體集成化芯片系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”作為重大研究計(jì)劃，圍繞SoC集成方法學(xué)、SoC的綜合、驗(yàn)證與測試等問題展開專項(xiàng)研究；2003年“863”國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃將SoC作為微電子第二期課題重大專項(xiàng)列入。對SoC重大專項(xiàng)確定的主要領(lǐng)域，包括SoC設(shè)計(jì)平臺技術(shù)和SoC關(guān)鍵芯片、SoC設(shè)計(jì)方法及其關(guān)鍵支撐技術(shù)，布置了若干預(yù)研性課題，如面向通信的綜合信息處理SoC平臺開發(fā)、第三代移動通信SoC平臺、高清晰度電視SoC平臺、家庭網(wǎng)絡(luò)核心SoC平臺以及高速、高安全度加解密SoC開發(fā)平臺等。同時(shí)，許多大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)也根據(jù)自身實(shí)力和特點(diǎn)，積極籌建專門的SoC技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，將其列為重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科。國外對于SoC技術(shù)的研究及芯片設(shè)計(jì)方法學(xué)的探索從九十年代初起步，至今依然是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，許多國際頂尖大型企業(yè)如IBM、Alcatel等也積極參與對SoC關(guān)鍵技術(shù)的研究，并取得了豐碩的學(xué)術(shù)成果。,SoC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括消費(fèi)電子（包含白色家電和黑色家電，如數(shù)字電視、DVD、STB、家庭網(wǎng)關(guān)、MP3播放器）、通信設(shè)備（包含各種終端設(shè)備、接入設(shè)備和交換設(shè)備，如手機(jī)和路由器）、控制類設(shè)備（包含汽車電子、儀器儀表、軍事電子、工業(yè)控制、醫(yī)療電子等，如智能化家用儀器儀表），目前SoC的最好實(shí)例是圖象加速器和多媒體處理器。SoC的優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、可靠性高、成本低以及更完善的功能和更高的性能指標(biāo)，其缺點(diǎn)是復(fù)雜性上升、設(shè)計(jì)成本高、開發(fā)時(shí)間長，完全改變了先前整機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。因此，產(chǎn)品有小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可靠性需求，有資金實(shí)力、市場開拓能力和發(fā)展能力的企業(yè)，都會對SoC產(chǎn)品有強(qiáng)烈的需求。,據(jù)預(yù)測，SoC銷售額從2002年的136億美元將增長到2007年的347億美元，年增長率超過20%，如此巨大的市場自然吸引了眾多半導(dǎo)體廠商的蜂擁而至。在產(chǎn)業(yè)界，目前國內(nèi)外許多企業(yè)紛紛采用SoC技術(shù)構(gòu)造自己的電子產(chǎn)品，如Nokia公司的30手機(jī)，由RF IC、電源IC和核心SoC三塊IC組成，SoC包含AD/DA轉(zhuǎn)換、基帶信號處理和軟件處理等部分，完成了手機(jī)的絕大部分處理功能。日本的各家電子公