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1、第七章 系統(tǒng)芯片（ SOC）設計 系統(tǒng)芯片（ SOC）是微電子技術發(fā)展的必然。 目前，集成電路工業(yè)發(fā)展的一大特征是產(chǎn)業(yè)分工， 形成了設計、制造、封裝及測試獨立成行的局面。 另一大特征是系統(tǒng)設計和 IP（ Intellectual Property， 知 識產(chǎn)權 ）設計發(fā)生分工。 并且，隨著深亞微米集成電路制造工藝的普及，大 量的邏輯功能可以通過單一芯片實現(xiàn)，同時一些消 費類的電子行業(yè)要求進行百萬門級的 IC設計。這些 系統(tǒng)的設計時間和產(chǎn)品投放時間等盡可能短，產(chǎn)品 質量盡可能高。在這種情況下，一種新的概念 SOC （系統(tǒng)芯片，也稱片上系統(tǒng)）應運而生。 系統(tǒng)芯片 SoC， 是一種專門用來描述高集成

2、度器件的術 語 ， 又稱系統(tǒng)級集成電路 SLI（ System Level IC） ， 是指 在將系統(tǒng)的主要功能綜合到一塊芯片中 ， 本質上是做一 種復雜的 IC設計 。 SOC的基本概念和特點 上世紀 90年代，人們提出了將整個系統(tǒng)集成在一 個或幾個芯片上，構成 系統(tǒng)芯片 （ SOC， System- on-a-Chip ）， 實現(xiàn) 集成系統(tǒng) （ IS， Integrated System） 的概念，以克服多芯片板級集成出現(xiàn)的問 題，提高系統(tǒng)性能，而且在減小尺寸、降低成本、降 低功耗、易于組裝方面有突出優(yōu)勢。 SOC的基本概念和特點 一般認為，如果一個集成電路芯片具有如下特 征的話，即可稱其

3、為 SOC，這些特征是： 采用超深亞微米 (VDSM, Very Deep Submicron)工藝 技術實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能的 VLSI； 使用一個或多個嵌入式處理器（ CPU）或數(shù)字信號 處理器（ DSP）； 具備外部對芯片進行編程的功能； 主要采用第三方的 IP（ Intellectual Property）核 （ IP Core）進行設計。 SoC的典型結構 從外觀看， SoC是一個芯片 ，通常是客戶定制（ CSIC）， 或是面向特定用途的標準產(chǎn)品（ ASSP）；從組成和功能上看， SoC是一個嵌入式計算機系統(tǒng)。 從圖中可以看出： （ 1） SoC芯片的結構通常以總線結構（單總線 /多總線

4、）為主，其 技術要求與一般計算機的總線有類似之處，也有不同之處。 （ 2） SoC芯片以 MPU（ Micro Processing Unit ） /MCU（ Micro Controller Unit ） /DSP（ Digital Signal Processing）為核心，通過總線與 其它模塊相互連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通訊控制等功能，形成一個完整 的計算機系統(tǒng)。 （ 3） 軟件存儲在 Flash ROM中，由 MPU/MCU/DSP 解釋、執(zhí)行， 完成相應的處理功能。 （ 4） 在 SOC芯片中，既有 MPU/MCU/DSP等數(shù)字集成電路，根據(jù) 應用需要，也可以加入 ADC、 DAC、電源

5、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芯片是一個數(shù) /模 混合電路的芯片。 （ 5） SoC芯片是一個軟 /硬件統(tǒng)一的產(chǎn)物，根據(jù)需要，一部分功能 可以由硬件實現(xiàn)，另一部分功能可以由軟件實現(xiàn)，設計時需要考慮軟 / 硬件功能劃分的問題。 SOC的設計概念 SOC的設計理念與傳統(tǒng) IC不同。 SOC把系統(tǒng)的處理機 制、模型算法、芯片結構、各層次電路直到器件的設計 緊密結合，在一個或若干個單片上完成整個系統(tǒng)的功能。 與普通 IC的設計不同， SOC的設計以 IP核為基礎，以 硬件描述語言為系統(tǒng)功能的主要描述手段，借助于以計 算機為平臺的 EDA工具進行。

6、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)應用 的性能要求，確定系統(tǒng)功能的軟 /硬件劃分實現(xiàn)。軟件 按照嵌入式軟件工程的方法實現(xiàn)，硬件按照 VLSI集成 電路設計方法實現(xiàn)，或者采用軟 /硬件協(xié)同設計的方法 進行設計。最后，進行系統(tǒng)的集成驗證與測試。 SOC的設計流程 SOC的設計流程 SOC采用的是 Top-to-Down方法， 整體考慮了 SoC芯 片軟 /硬件系統(tǒng)設計的要求，將系統(tǒng)需求、處理機制、 芯片體系結構、各層次電路及器件、算法模型、軟件 結構、協(xié)同驗證緊密結合起來，從而用單個或極少幾 個芯片完成整個系統(tǒng)的功能。 設計流程分

7、為以下幾個 主要步驟： （ 1）系統(tǒng)總體方案設計： 芯片系統(tǒng)功能、指標定義、需 求分析、產(chǎn)品市場定位、軟 /硬件劃分、指標分解等整體方案 論證。 （ 2） 軟 /硬件方案設計： 確定芯片系統(tǒng)功能的軟 /硬件劃 分 ， 軟 /硬件體系結構 ， 模塊功能的詳細描述及技術指標要求 、 時序 、 接口定義等工作 。 SOC的設計方法 （ 3）模塊設計開發(fā)： 完成硬件模塊的開發(fā)、行為及時序仿 真測試、底層硬件驅動程序編寫、算法設計及仿真、協(xié)議和應 用軟件的設計與開發(fā)。對于復雜的功能模塊，可進一步劃分成 子模塊。在算法仿真時，根據(jù)系統(tǒng)指標的要求劃分出信號處理 硬件加速模塊。 （ 4）軟 /硬件協(xié)同仿真測試

8、： 主要測試系統(tǒng)方案和軟 /硬 件模塊設計功能的正確性。 （ 5）軟 /硬件協(xié)同仿真測試： 主要測試系統(tǒng)方案和軟 /硬 件模塊設計功能的正確性。 （ 6）樣片的測試： 基于 SoC樣片的系統(tǒng)功能及性能指標測 試。 SOC設計與目前的集成電路設計的不同 1. 采用 IP復用技術是主要的設計方法。 2. 在設計階段需要進行軟硬件劃分，以使軟硬件可 以同時進行設計調試。 3. 需要考慮不同系統(tǒng)之間的兼容問題。 4. 對設計階段的驗證提出了很高的要求。 5. 設計從面向邏輯的設計向面向互連的設計方法轉 變。 6. 設計人員的經(jīng)驗十分重要。 7. 將嵌入式軟件集成到 SOC中。 因此 ， 從硬件角度看

9、， SoC是在一個芯片上由于廣 泛使用預定制 IP模塊而得以快速開發(fā)的集成電路； 從設計上來說 ， SoC就是一個通過設計復用 （ 包括 軟件復用和硬件復用 ） 達到高生產(chǎn)率的軟 /硬件協(xié)同 設計的過程； 從 方法學的角度來看 ， SoC是一套基于 VLSI集成電 路的嵌入式系統(tǒng)設計方法學 ， 包括系統(tǒng)建模方法學 、 嵌入式軟件工程 、 IP核可復用設計與測試方法及接口 規(guī)范 、 SoC總線式集成設計方法學 、 SoC驗證與測試 方法學等 。 SOC的應用領域 SoC的應用領域非常廣泛 ， 包括消費電子 （ 包含白色家 電和黑色家電 ， 如數(shù)字電視 、 DVD、 STB、 家庭網(wǎng)關 、 MP3

10、播放器 ） 、 通信設備 （ 包含各種終端設備 、 接入設備 和交換設備 ， 如手機和路由器 ） 、 控制類設備 （ 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的最好實例是圖象加速器 和多媒體處理器 。 SoC的優(yōu)點是體積小 、 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 ， 其缺點是復 雜性上升 、 設計成本高 、 開發(fā)時間長 ， 完全改變了先前整 機系統(tǒng)的總體設計方案 。 因此 ， 產(chǎn)品有小型化 、 智能化 、 網(wǎng)絡化 、 可靠性需求 ， 有資金實力 、 市場開拓能力和發(fā)展 能力的企業(yè) ， 都會對 SoC產(chǎn)品有強烈的需求 。