什么是FPGA、SOC、SOPC、DSP？

FPGA

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線(xiàn)（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：
1）采用FPGA設計ASIC電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3）FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。
4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開(kāi)發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說(shuō)，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。

目前FPGA的品種很多，有XILINX公司的Virtex系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的Stratix系列等。

FPGA是由存放在片內RAM中的程序來(lái)設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對片內的RAM進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。

加電時(shí)，FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，FPGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關(guān)系消失，因此，FPGA能夠反復使用。FPGA的編程無(wú)須專(zhuān)用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片FPGA，不同的編程數據，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，FPGA的使用非常靈活。

FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片FPGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。

最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

SOC

SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，1. 技術(shù)發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

SoC基本概念

SoC的定義多種多樣,由于其內涵豐富、應用范圍廣,很難給出準確定義。一般說(shuō)來(lái), SoC稱(chēng)為系統級芯片,也有稱(chēng)片上系統,意指它是一個(gè)產(chǎn)品,是一個(gè)有專(zhuān)用目標的集成電路,其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部?jì)热?。同時(shí)它又是一種技術(shù),用以實(shí)現從確定系統功能開(kāi)始,到軟/硬件劃分,并完成設計的整個(gè)過(guò)程。從狹義角度講,它是信息系統核心的芯片集成,是將系統關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個(gè)微小型系統,如果說(shuō)中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學(xué)術(shù)界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶(hù)定制的,或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。

SoC定義的基本內容主要表現在兩方面:其一是它的構成,其二是它形成過(guò)程。系統級芯片的構成可以是系統級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內核模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進(jìn)行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊,對于一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC還有射頻前端模塊、用戶(hù)定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實(shí)現)以及微電子機械模塊,更重要的是一個(gè)SoC 芯片內嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶(hù)軟件等。系統級芯片形成或產(chǎn)生過(guò)程包含以下三個(gè)方面:

1) 基于單片集成系統的軟硬件協(xié)同設計和驗證;
2) 再利用邏輯面積技術(shù)使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開(kāi)發(fā)和研究IP核生成及復用技術(shù),特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等;
3) 超深亞微米(UDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術(shù)。

SoC設計的關(guān)鍵技術(shù)

具體地說(shuō), SoC設計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線(xiàn)架構技術(shù)、IP核可復用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設計技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現技術(shù)等,此外還要做嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)研究,是一門(mén)跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

SoC的發(fā)展趨勢及存在問(wèn)題

當前芯片設計業(yè)正面臨著(zhù)一系列的挑戰,系統芯片SoC已經(jīng)成為IC設計業(yè)界的焦點(diǎn), SoC性能越來(lái)越強,規模越來(lái)越大。SoC芯片的規模一般遠大于普通的ASIC,同時(shí)由于深亞微米工藝帶來(lái)的設計困難等,使得SoC設計的復雜度大大提高。在SoC設計中,仿真與驗證是SoC設計流程中最復雜、最耗時(shí)的環(huán)節,約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%～80% ,采用先進(jìn)的設計與仿真驗證方法成為SoC設計成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢是基于SoC開(kāi)發(fā)平臺,基于平臺的設計是一種可以達到最大程度系統重用的面向集成的設計方法,分享IP核開(kāi)發(fā)與系統集成成果,不斷重整價(jià)值鏈,在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎上,向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉移,使系統級集成能力快速發(fā)展。

SOPC

(System-on-a-Programmable-Chip)即可編程片上系統

用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統放到一塊硅片上，稱(chēng)作SOPC?？删幊唐舷到y（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統：首先它是片上系統（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

·SOPC的特點(diǎn)

SOPC結合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：
至少包含一個(gè)嵌入式處理器內核；
具有小容量片內高速RAM資源；
豐富的IP Core資源可供選擇；
足夠的片上可編程邏輯資源；
處理器調試接口和FPGA編程接口；
可能包含部分可編程模擬電路；
單芯片、低功耗、微封裝。

·SOPC的技術(shù)內容

SOPC設計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統設計技術(shù)的全部?jì)热?，除了以處理器和?shí)時(shí)多任務(wù)操作系統（RTOS）為中心的軟件設計技術(shù)、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進(jìn)行，而B(niǎo)GA封裝已被廣泛應用在微封裝領(lǐng)域中，傳統的調試設備，如：邏輯分析儀和數字示波器，已很難進(jìn)行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎的軟硬件協(xié)同設計技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調試技術(shù)也已不斷涌現出來(lái)，如Xilinx公司的片內邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內實(shí)時(shí)調試工具。

·SOPC的前景

SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價(jià)格仍然相當昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應用的靈活性和價(jià)格上有極大的優(yōu)勢。SOPC被稱(chēng)為“半導體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)”。

SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統，或者說(shuō)是基于大規模FPGA的單片系統。SOPC的設計技術(shù)是現代計算機輔助設計技術(shù)、EDA技術(shù)和大規模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPC技術(shù)是將盡可能大而完整的電子系統，包括嵌入式處理器系統、接口系統、硬件協(xié)處理器或加速系統、DSP系統、數字通信系統、存儲電路以及普通數字系統等，在單一FPGA中嵌入實(shí)現。大量采用IP復用、軟硬件協(xié)同設計、自頂向下和自底向上混合設計的方法，邊設計、邊調試、邊驗證……原本需要寫(xiě)上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過(guò)嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實(shí)現。因此，可以使得整個(gè)設計在規模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)品維護及其硬件升級等多方面實(shí)現最優(yōu)化。

傳統的設計技術(shù)已經(jīng)很難滿(mǎn)足系統化、網(wǎng)絡(luò )化、高速度、低功耗、多媒體等實(shí)際需求，SOPC（片上可編程系統）可將處理器、存儲器、外設接口和多層次用戶(hù)電路等系統設計需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設計可重用特性，已經(jīng)成為集成電路未來(lái)的發(fā)展方向，廣泛應用到汽車(chē)、軍事、航空航天、廣播、測試和測量、消費類(lèi)電子、無(wú)線(xiàn)通信、醫療、有線(xiàn)通信等領(lǐng)域。

SOPC技術(shù)是一門(mén)全新的綜合性電子設計技術(shù)，涉及面廣。因此在知識構成上對于新時(shí)代嵌入式創(chuàng )新人才有更高的要求，除了必須了解基本的EDA軟件、硬件描述語(yǔ)言和FPGA器件相關(guān)知識外，還必須熟悉計算機組成與接口、匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言、DSP算法、數字通信、嵌入式系統開(kāi)發(fā)、片上系統構建與測試等知識。顯然，知識面的拓寬必然推動(dòng)電子信息及工程類(lèi)各學(xué)科分支與相應的課程類(lèi)別間的融合，而這種融合必將有助于學(xué)生的設計理念的培養和創(chuàng )新思維的升華。

DSP

DSP數字信號處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。數字信號處理是一種通過(guò)使用數學(xué)技巧執行轉換或提取信息，來(lái)處理現實(shí)信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠(chǎng)商在這一領(lǐng)域擁有很強的實(shí)力。

DSP微處理器

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

DSP芯片，也稱(chēng)數字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數字信號處理運算的微處理器器，其主要應用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

　?。?）在一個(gè)指令周期內可完成一次乘法和一次加法；
　?。?）程序和數據空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數據；
　?。?）片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨立的數據總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)；
　?。?）具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉的硬件支持；
　?。?）快速的中斷處理和硬件I/O支持；
　?。?）具有在單周期內操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；
　?。?）可以并行執行多個(gè)操作；
　?。?）支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。