技术发展概况

12．1　SoPC技术发展概况

SoC最早出现在20世纪90年代中期，1994年MOTOROLA公司发布的Flex CoreTM系统，用来制作基于68000TM和Power PCTM的定制微处理器。1995年，LSILogic公司为SONY公司设计的SoC，可能是基于IP（intellectual property）核进行SoC设计的最早报道。SoC由于可以利用已有的设计显著地提高设计效率，因此发展非常迅速。图12．1．1是由IC互联构成的嵌入式系统设计。

图12．1．1　由IC互联构成的嵌入式系统设计

SoC（system on a chip，片上系统）是ASIC（application specific integrated circuits）设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP（intellectual property）复用技术为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行开发，并追求产品系统最大包容的集成芯片。由SoC构成的嵌入式系统如图12．1．2所示。从狭义上理解，可以将SoC翻译为“系统集成芯片”，就是在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I／O等功能，它包含嵌入软件及整个系统的全部内容；从广义上理解，可以将SoC翻译为“系统芯片集成”，是指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始到软硬件划分，并完成设计的整个过程。

图12．1．2　由SoC构成的嵌入式系统

SoC就是将一个完整产品的各功能集成在一个芯片中，可以包括CPU、存储器、硬件加速单元（AV处理器、DSP、浮点协处理器等）、通用I／O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A／D、D／A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。

SoC使用可重复利用的IP来构建系统，这样可以缩短产品的开发周期，降低开发的复杂度。可重复利用的IP包括元件库、宏及特殊的专用IP等，如通信接口IP、输入输出接口IP及微处理器IP（如ARM公司的RISC架构的ARM核）。SoC嵌入式系统就是微处理器的IP再加上一些外围IP整合而成的。SoC以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求最高的集成度，是电子系统设计追求的必然趋势和最终目标，是现代电子系统设计的最佳方案。SoC是一种系统集成芯片，其系统功能可以完全由硬件完成，也可以由硬件和软件协同完成。目前的SoC主要指后者。

以往的SoC设计依赖于固定的ASIC，其设计方法通常采用全定制或半定制电路设计方法，设计完成后如果不能满足要求，经常需要重新设计再进行验证，这将导致开发周期变长，开发成本增加。另外，如果要对固定的ASIC的设计进行修改、升级，也将付出很大的代价，这往往使得学术科研机构、中小企业难以承受。与ASIC比较，可编程逻辑器件（PLD）的设计要灵活得多，它不仅开发周期较短，而且规模效应具有成本优势。于是，有名的可编程逻辑器件生产厂家美国的Altera公司提出了基于PLD的SoC设计方案——SoPC（system on a programmable chip，片上可编程系统）。SoPC是SoC技术和可编程逻辑技术结合的产物，是一种特殊的嵌入式系统。首先，它是SoC，即可以由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它还是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件在线系统开发中可编程的功能。

SoPC是一种灵活、高效的SoC解决方案，它将处理器、存储器、I／O口、LVDS等系统需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构成一个可编程的片上系统。SoPC是PLD与SoC技术融合的结果。这种基于PLD可重构SoC的设计技术不仅保持了SoC以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的特点，而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。相对于ASIC定制技术来说，FPGA是一种通用器件，通过设计软件的综合、分析、裁减，可灵活地重构所需要的嵌入式系统。

SoPC结合了SoC、PLD和FPGA各自的优点，具备以下特点：

（1）至少包含一个嵌入式处理器内核；

（2）具有小容量片内高速RAM资源；

（3）有丰富的IP Core资源可供选择；

（4）拥有足够的片上可编程逻辑资源；

（5）拥有处理器调试接口和FPGA编程接口；

（6）可能包含部分可编程模拟电路；

（7）单芯片、低功耗、微封装。

SoPC结构框图如图12．1．3所示。SoPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SoPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行的，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具；而在应对复杂设计方面，诸如Xilinx公司的System Generator for DSP就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。

图12．1．3　SoPC结构框图

目前，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I／O及可编程逻辑的SoPC芯片在应用的灵活性和价格上都有极大的优势。SoPC被认为是半导体产业的未来。