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1、第七章,系统芯片（SOC）设计,系统芯片（SOC）是微电子技术发展的必然。,目前，集成电路工业发展的一大特征是产业分工，形成了设计、制造、封装及测试独立成行的局面。另一大特征是系统设计和IP（Intellectual Property，知识产权）设计发生分工。 并且，随着深亚微米集成电路制造工艺的普及，大量的逻辑功能可以通过单一芯片实现，同时一些消费类的电子行业要求进行百万门级的IC设计。这些系统的设计时间和产品投放时间等尽可能短，产品质量尽可能高。在这种情况下，一种新的概念SOC（系统芯片，也称片上系统）应运而生。,系统芯片SoC，是一种专门用来描述高集成度器件的术语，又称系统级集成电路SL
2、I（System Level IC），是指在将系统的主要功能综合到一块芯片中，本质上是做一种复杂的IC设计。,SOC的基本概念和特点,上世纪90年代，人们提出了将整个系统集成在一个或几个芯片上，构成系统芯片（SOC，System-on-a-Chip ），实现集成系统（IS，Integrated System）的概念，以克服多芯片板级集成出现的问题，提高系统性能，而且在减小尺寸、降低成本、降低功耗、易于组装方面有突出优势。,SOC的基本概念和特点,一般认为，如果一个集成电路芯片具有如下特征的话，即可称其为SOC，这些特征是： 采用超深亚微米(VDSM, Very Deep Submicron)工
3、艺技术实现复杂系统功能的VLSI； 使用一个或多个嵌入式处理器（CPU）或数字信号处理器（DSP）； 具备外部对芯片进行编程的功能； 主要采用第三方的IP（Intellectual Property）核（IP Core）进行设计。,SoC的典型结构,从外观看，SoC是一个芯片，通常是客户定制（CSIC），或是面向特定用途的标准产品（ASSP）；从组成和功能上看，SoC是一个嵌入式计算机系统。从图中可以看出： （1）SoC芯片的结构通常以总线结构（单总线/多总线）为主，其技术要求与一般计算机的总线有类似之处，也有不同之处。 （2）SoC芯片以MPU（Micro Processing Unit ）
4、/MCU（Micro Controller Unit ）/DSP（Digital Signal Processing）为核心，通过总线与其它模块相互连接，实现数据交换和通讯控制等功能，形成一个完整的计算机系统。 （3）软件存储在Flash ROM中，由MPU/MCU/DSP 解释、执行，完成相应的处理功能。 （4）在SOC芯片中，既有MPU/MCU/DSP等数字集成电路，根据应用需要，也可以加入ADC、DAC、电源管理等模拟集成电路，或Tranceiver（收发器）等射频集成电路。因此，SoC芯片是一个数/模混合电路的芯片。 （5）SoC芯片是一个软/硬件统一的产物，根据需要，一部分功能可以由
5、硬件实现，另一部分功能可以由软件实现，设计时需要考虑软/硬件功能划分的问题。,SOC的设计概念,SOC的设计理念与传统IC不同。 SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直到器件的设计紧密结合，在一个或若干个单片上完成整个系统的功能。与普通IC的设计不同，SOC的设计以IP核为基础，以硬件描述语言为系统功能的主要描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行。从SoC的组成来看，SoC中包含软件和硬件，首先，需要从嵌入式系统角度定义其功能规范，然后，根据应用的性能要求，确定系统功能的软/硬件划分实现。软件按照嵌入式软件工程的方法实现，硬件按照VLSI集成电路设计方法实现，或者采用
6、软/硬件协同设计的方法进行设计。最后，进行系统的集成验证与测试。,SOC的设计流程,SOC的设计流程,SOC采用的是Top-to-Down方法，整体考虑了SoC芯片软/硬件系统设计的要求，将系统需求、处理机制、芯片体系结构、各层次电路及器件、算法模型、软件结构、协同验证紧密结合起来，从而用单个或极少几个芯片完成整个系统的功能。设计流程分为以下几个主要步骤：（1）系统总体方案设计：芯片系统功能、指标定义、需求分析、产品市场定位、软/硬件划分、指标分解等整体方案论证。（2）软/硬件方案设计：确定芯片系统功能的软/硬件划分，软/硬件体系结构，模块功能的详细描述及技术指标要求、时序、接口定义等工作。,
7、SOC的设计方法,（3）模块设计开发：完成硬件模块的开发、行为及时序仿真测试、底层硬件驱动程序编写、算法设计及仿真、协议和应用软件的设计与开发。对于复杂的功能模块，可进一步划分成子模块。在算法仿真时，根据系统指标的要求划分出信号处理硬件加速模块。（4）软/硬件协同仿真测试：主要测试系统方案和软/硬件模块设计功能的正确性。 （5）软/硬件协同仿真测试：主要测试系统方案和软/硬件模块设计功能的正确性。 （6）样片的测试：基于SoC样片的系统功能及性能指标测试。,SOC设计与目前的集成电路设计的不同,采用IP复用技术是主要的设计方法。 在设计阶段需要进行软硬件划分，以使软硬件可以同时进行设计调试。
8、需要考虑不同系统之间的兼容问题。 对设计阶段的验证提出了很高的要求。 设计从面向逻辑的设计向面向互连的设计方法转变。 设计人员的经验十分重要。 将嵌入式软件集成到SOC中。,因此，从硬件角度看，SoC是在一个芯片上由于广泛使用预定制IP模块而得以快速开发的集成电路； 从设计上来说，SoC就是一个通过设计复用（包括软件复用和硬件复用）达到高生产率的软/硬件协同设计的过程； 从方法学的角度来看，SoC是一套基于VLSI集成电路的嵌入式系统设计方法学，包括系统建模方法学、嵌入式软件工程、IP核可复用设计与测试方法及接口规范、SoC总线式集成设计方法学、SoC验证与测试方法学等。,SOC的应用领域,S
9、oC的应用领域非常广泛，包括消费电子（包含白色家电和黑色家电，如数字电视、DVD、STB、家庭网关、MP3播放器）、通信设备（包含各种终端设备、接入设备和交换设备，如手机和路由器）、控制类设备（包含汽车电子、仪器仪表、军事电子、工业控制、医疗电子等，如智能化家用仪器仪表），目前SoC的最好实例是图象加速器和多媒体处理器。SoC的优点是体积小、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标，其缺点是复杂性上升、设计成本高、开发时间长，完全改变了先前整机系统的总体设计方案。因此，产品有小型化、智能化、网络化、可靠性需求，有资金实力、市场开拓能力和发展能力的企业，都会对SoC产品有强烈的需求。,
