SOC與單片機應用技術(shù)的發(fā)展
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關(guān)鍵詞：SOC 單片機 嵌入式系統
引言
現場(chǎng)電子技術(shù)應用中包含了硬件（HW）、硬件加軟件（HW+SW）、固件（FW）3個(gè)層次。這3個(gè)層次也可以說(shuō)是現代電子技術(shù)應用的3人發(fā)展階段。自1997年以來(lái)，電子技術(shù)應用又增加了一個(gè)新的層次――片上系統（SOC）層次。SOC技術(shù)概念和應用技術(shù)層次的出現，標志著(zhù)現代電子技術(shù)應用進(jìn)入了SOC階段。
從各個(gè)發(fā)展階段看，自HW+SW階段開(kāi)始，電子技術(shù)應用就與單片機緊密地聯(lián)系在一起。在FW階段，作為固件系統的重要核心技術(shù)，單片機又以嵌入式技術(shù)為基礎，再次成為現代電子應用技術(shù)的核心技術(shù)之一，并為SOC應用技術(shù)提供了緊實(shí)的基礎。
SOC為各種應用提供了一個(gè)新的實(shí)現技術(shù)。這種新的電子系統實(shí)現技術(shù)促使工業(yè)界在近3年中發(fā)生了巨大的變化，為信息技術(shù)的應用提供堅實(shí)的基礎，因此，完全可以稱(chēng)之為SOC革命。同時(shí)，SOC也為單片機技術(shù)提供了更廣闊的應用領(lǐng)域，使單片機應用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。
本文根據幾年來(lái)對SOC技術(shù)和單片機應用技術(shù)發(fā)展的研究，對SOC的基本技術(shù)概念以及單片機與SOC技術(shù)的關(guān)系進(jìn)行了討論，指出了SOC中單片機嵌入式應用的技術(shù)特點(diǎn)。
一、SOC技術(shù)與應用概念
所謂SOC技術(shù)，是一種高度集成化、固件化的系統集成技術(shù)。使用SOC技術(shù)設計系統的核心思想，就是要把整個(gè)應用電子系統全部集成在一個(gè)芯片中。在使用SOC技術(shù)設計應用系統，除了那些無(wú)法集成的外部電路或機械部分以外，其他所有的系統電路全部集成在一起。
1.系統功能集成是SOC的核心技術(shù)
在傳統的應用電子系統設計中，須要根據設計要求的功能模塊對整個(gè)系統進(jìn)行綜合，即根據設計要求的功能，尋找相應的集成電路，再根據設計要求的技術(shù)指標設計所選電路的連接形式和參數。這種設計的結果是一個(gè)以功能集成電路為基礎，器件分布式的應用電子系統結構。設計結果能否滿(mǎn)足設計要求不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數，而且與整個(gè)系統PCB版圖的電磁兼容特性有關(guān)。同時(shí)， 對于須要實(shí)現數字化的系統，往往還須要有單片機等參與，所以，還必須考慮分布式系統對電路固件特性的影響。很明顯，傳統應用電子系統的實(shí)現，采用的是分布功能綜合技術(shù)。
對于SOC來(lái)說(shuō)，應用電子系統的設計也是根據功能和參數要求設計系統，但與傳統方法有著(zhù)本質(zhì)的差別。SOC不是以功能電路為基礎的分布式系統綜合技術(shù)。而是以功能IP為基礎的系統固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實(shí)現不再針對功能電路進(jìn)行綜合，而是針對系統整體固件實(shí)現進(jìn)行電路綜合，也就是利用IP技術(shù)對系統整體進(jìn)行電路結合。其次，電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關(guān)，而與PCB板上電路分塊的方式和連線(xiàn)技術(shù)基本無(wú)關(guān)。因此，使設計結果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話(huà)說(shuō)，就是所設計的結果十分接近理想設計目標。
2.固件集成是SOC的基礎設計思想
在傳統分布式綜合設計技術(shù)中，系統的固件特性往往難以達到最優(yōu)，原因是所使用的是分布式功能綜合技術(shù)。一般情況下，功能集成電路為了滿(mǎn)足盡可能多的使用面，必須考慮兩個(gè)設計目標：一個(gè)是能滿(mǎn)足多種應用領(lǐng)域的功能控制要求目標；另一個(gè)是要考慮滿(mǎn)足較大范圍應用功能和技術(shù)指標。因此，功能集成電路（也就是定制式集成電路）必須在I/O和控制方面附加若干電路，以使一般用戶(hù)能得到盡可能多的開(kāi)發(fā)性能。但是，定制式電路設計的應用電子系統不易達到最佳，特別是固件特性更是具有相當大的分散性。
對于SOC來(lái)說(shuō)，從SOC的核心技術(shù)可以看出，使用SOC技術(shù)設計應用電子系統的基本設計思想就是實(shí)現全系統的固件集成。用戶(hù)只須根據需要選擇并改進(jìn)各部分模塊和嵌入結構，就能實(shí)現充分優(yōu)化的固件特性，而不必花時(shí)間熟悉定制電路的開(kāi)發(fā)技術(shù)。固件基礎的突發(fā)優(yōu)點(diǎn)就是系統能更接近理想系統，更容易實(shí)現設計要求。
3.嵌入式系統是SOC的基本結構
在使用SOC技術(shù)設計的應用電子系統中，可以十分方便地實(shí)現嵌入式結構。各種嵌入結構的實(shí)現十分簡(jiǎn)單，只要根據系統需要選擇相應的內核，再根據設計要求選擇之相配合的IP模塊，就可以完成整個(gè)系統硬件結構。尤其是采用智能化電路綜合技術(shù)時(shí)，可以更充分地實(shí)現整個(gè)系統的固件特性，使系統更加接近理想設計要求。必須指出，SOC的這種嵌入式結構可以大大地縮短應用系統設計開(kāi)發(fā)周期。
4.IP是SOC的設計基礎
傳統應用電子設計工程師面對的是各種定制式集成電路，而使用SOC技術(shù)的電子系統設計工程師所面對的是一個(gè)巨大的IP庫，所有設計工作都是以IP模塊為基礎。SOC技術(shù)使應用電子系統設計工程師變成了一個(gè)面向應用的電子器件設計工程師。由此可見(jiàn)，SOC是以IP模塊為基礎的設計技術(shù)，IP是SOC應用的基礎。
5.SOC技術(shù)中的不同階段
用SOC技術(shù)設計應用電子系統的幾個(gè)階段如圖1所示。在功能設計階段，設計者必須充分考慮系統的固件特性，并利用固件特性進(jìn)行綜合功能設計。當功能設計完成后，就可以進(jìn)入IP綜合階段。IP綜合階段的任務(wù)利用強大的IP庫實(shí)現系統的功能I。P結合結束后，首先進(jìn)行功能仿真，以檢查是否實(shí)現了系統的設計功能要求。功能仿真通過(guò)后，就是電路仿真，目的是檢查IP模塊組成的電路能否實(shí)現設計功能并達到相應的設計技術(shù)指標。設計的最后階段是對制造好的SOC產(chǎn)品進(jìn)行相應的測試，以便調整各種技術(shù)參數，確定應用參數。
二、SOC的應用概念
現代科學(xué)技術(shù)應用的重要特點(diǎn)之一，就是技術(shù)多樣性、智能多變性和面向對象的系統設計性。所謂技術(shù)多樣性，就是實(shí)現同一個(gè)應用電子系統可以有許多不同的設計方案供選擇；而不同的設計方案就意味著(zhù)必須使用不同的設計和生產(chǎn)技術(shù)。所謂知識多變性，是指在現代電子技術(shù)應用系統中，實(shí)現系統目標的基礎理論和方法隨著(zhù)新知識的出現不斷地在變化。這種變化不僅使應用電子系統技術(shù)指標發(fā)生變化，甚至改變了系統的整體結構。
隨著(zhù)現代信息和電子技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷拓寬，越來(lái)越多的應用領(lǐng)域提出了各種特殊要求。例如，航空航天領(lǐng)域要求的小體積大系統，信息應用領(lǐng)域提出的個(gè)性化等要求，都使得一般固件技術(shù)難以勝任。特別是在民用領(lǐng)域，重視個(gè)性化的產(chǎn)品設計概念使應用電子產(chǎn)品的更新速度極快，而且小批量多品種的要求也越來(lái)越高。這就是提出了小批量產(chǎn)品與成本、集成化與成本、產(chǎn)品研制周期與成本等一系列的問(wèn)題。
SOC正是成為滿(mǎn)足現代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的要求而產(chǎn)生的現代應用電子技術(shù)。傳統的觀(guān)念認為，只有大批量的產(chǎn)品才有集成的可能，才具有價(jià)格競爭優(yōu)勢。因此，到目前為止，大多數小批量產(chǎn)品，特別是研究性質(zhì)的應用電子系統，一般都采用HW，HW+SW或FW技術(shù)實(shí)現。但隨著(zhù)SOC的出現、發(fā)展和成熟，這種現狀已經(jīng)發(fā)生極大的變化。SOC為現代電子工程師提供了一個(gè)快捷經(jīng)濟的系統設計方法，使那么傳統觀(guān)念上認為高性能、高復雜度、高成本的嵌入式結構，能夠通過(guò)低成本的單片芯片實(shí)現。
1.SOC的設計觀(guān)念
SOC的設計觀(guān)念與傳統設計觀(guān)念完全不同。在SOC設計中，設計者面對的不再是電路芯片；而是能實(shí)現設計功能的IP模塊庫。設計者不必要在眾多的模塊電路中搜索所須要的電路芯片，只需要根據設計功能和固件特性，選擇相應的IP模塊。這種電路的設計技術(shù)和綜合方法，基本上消除了器件信息障礙，因為每一個(gè)應用設計都是一個(gè)專(zhuān)用的集成系統，都是一個(gè)專(zhuān)用的集成電路。換句話(huà)說(shuō)，SOC的設計觀(guān)念是“設計自己的專(zhuān)用集成電路”。從某種意義上講，就是把用戶(hù)變成了集成電路制造商。
2.高效便利的設計工具
由于IP是SOC的基礎，所以，必須采用相應的EDA軟件才能完成設計技術(shù)。如果沒(méi)有高效便利的設計工具，SOC設計就是一句空話(huà)。實(shí)際上，傳統應用電子系統設計工作對EDA和其他相應的設計軟件并沒(méi)很高的要求，只要求能提供相應的便利條件；而SOC設計則必須建立在EDA基礎之上。例如，使用SOC技術(shù)設計一個(gè)智能溫度控制系統，由于整個(gè)系統集成在一個(gè)芯片中，用戶(hù)就必須能對其中的CPU核、存儲器、A/D、模擬放大器等電路進(jìn)行綜合仿真，顯然，必須要有一個(gè)高效便利的EDA工具才能完成這些工作。
三、SOC技術(shù)中的單片機
單片機現代電子技術(shù)應用中的主流技術(shù)，特別是在工業(yè)和民用的獨立電子系統中，單片機起著(zhù)系統核心的作用。由于單片機系統特有的固件特性，使單片機在SOC技術(shù)中占有重要的地位。
1.SOC中的單片機嵌入技術(shù)
隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，特別是應用技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機應用系統已經(jīng)形成了常用的、獨特的嵌入式結構。如不同系列的單片機，都是通過(guò)嵌入不同的CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機已經(jīng)成為CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機已經(jīng)成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結構正是SOC的一種重要實(shí)現技術(shù)和方法。
用SOC設計單片機系統嵌入式結構，為設計者提供了現有技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)越條件。設計者必在選擇單片機的型號上下功夫；只須要根據所設計系統的固件特性和功能要求，選擇相應的單片機CPU內核，再根據需要選擇其他的IP模塊，就可以實(shí)現完整的系統。從某種意義上看，SOC為單片機應用提供了更廣闊的應用技術(shù)，并賦予了單片機更強大的生命力。試想，如果整個(gè)SOC目標系統的核心是一個(gè)單片機CPU，那么，這個(gè)系統設計成功之后就不僅是真正意義上的單片機，而且還實(shí)現了真正的系統單片機。這正是單片機強大生命力的根源。
2.SOC中單片機系統優(yōu)化
目前在單片機應用中，有相當一部分實(shí)際上并不能叫做單片機。因為許多應用中需要形成單片機的外部系統總線(xiàn)。因此，單片機資源的充分利用和避免形成外部總線(xiàn)，往往是單片機應用設計的主要追求目標。換句話(huà)說(shuō)，優(yōu)化問(wèn)題是單片機應用中的一個(gè)重要問(wèn)題。
例如，設計一個(gè)具有多個(gè)傳感器的測試系統，往往須要根據單片機的特點(diǎn)設計相應的外部總線(xiàn)，應用系統由此而龐大。采用SOC技術(shù)后，系統不再需要外部總線(xiàn)，所選用單片機中不需要的資源也可以去除掉，只保留所需要的CPU等功能模塊。這兩種設計方法的方框圖如圖2所示。
概括地說(shuō)，SOC使單片機應用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，這個(gè)變化就是應用電子系統的設計技術(shù)，從選擇廠(chǎng)家提供的定制產(chǎn)品時(shí)代進(jìn)入了用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)設計器件的時(shí)代。這標志著(zhù)單片機應用的歷史性變化，一個(gè)全新的單片機應用時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
結束語(yǔ)
SOC成為新一代應用電子技術(shù)的核心已經(jīng)成為不爭的事實(shí)，這不僅是電子技術(shù)本身的革命性標志，也是電子技術(shù)應用的重大歷史變化。SOC并不是憑空產(chǎn)生的；而是幾十年應用技術(shù)積累和電子技術(shù)發(fā)展的必然結果，IP是SOC的基礎就是有利的證明。
作為IP家庭中的一個(gè)重要分支，單片機應用也從定制系統應用技術(shù)發(fā)展成為SOC嵌入式應用技術(shù)。這對單片機應用工程師來(lái)說(shuō)，不僅是用戶(hù)技術(shù)發(fā)生了重大變化，更主要的是應用工程師面臨著(zhù)新的挑戰。同時(shí)，SOC也向單片機應用技術(shù)展示了更為廣闊的發(fā)展前景。
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