片上系統(SOC)設計流程及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　片上系統(SOC——System-On-a-Chip)是指在單芯片上集成微電子應用產(chǎn)品所需的全部功能系統，其是以超深亞微米(VDSM-Very Deep Subnicron)工藝和知識產(chǎn)權(IP——Intellectual Property)核復用(Reuse)技術(shù)為支撐。SOC技術(shù)是當前大規模集成電路(VLSI)的發(fā)展趨勢，也是21世紀集成電路技術(shù)的主流，其為集成電路產(chǎn)業(yè)和集成電路應用技術(shù)提供了前所未有的廣闊市場(chǎng)和難得的發(fā)展機遇。SOC為微電子應用產(chǎn)品研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)提供了新型的優(yōu)秀的技術(shù)方法和工具，也是解決電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的及時(shí)上市(TTM——Time to Market)的主要技術(shù)與方法。

　　1  片上系統(SOC)引入導致嵌入式系統的設計方法變革

　　就目前現狀而言，若以嵌入式系統所采用的核心器件——處理器進(jìn)行劃分，嵌入式系統可以分為三種類(lèi)型：基于微控制器(MCU)的嵌入式系統、基于信號處理器 (DSP)的嵌入式系統、基于微處理器(MPU)的嵌入式系統。其中，基于MCU的嵌入式系統是一種低端嵌入式系統，這種系統共同的特點(diǎn)是系統運行速度低、數據處理能力弱和存儲空間有限(K級)，因此只適合于低端的電子產(chǎn)品；基于DSP的嵌入式系統是中低端嵌入式系統，這種系統共同特點(diǎn)是系統運行速度較高、數據處理能力強，但是存儲空間也是有限的(K級、M級)；基于MPU的嵌入式系統通?？梢苑譃閮煞N類(lèi)型：基于CISC架構微處理器的嵌入式系統和基于 RISC架構微處理器的嵌入式系統。其中，CISC架構微處理器通常是由x86體系結構進(jìn)行嵌入應用擴展而獲得一種類(lèi)型的嵌入式處理器；RISC架構嵌入式微處理器可以分為三大體系結構：ARM體系結構、PowerPC體系結構和MIPS體系結構，基于這三大體系結構的嵌入式處理器品種繁多，功能也各異。但基于此類(lèi)處理器的嵌入式系統共同特點(diǎn)是運行速度高、數據處理能力強、存儲空間足夠大(G級)，因此是一種高端的嵌入式系統。

　　無(wú)論是低端、中端或高端嵌入式系統，其經(jīng)典的設計方法仍然是一種板級電子系統設計方法：首先，根據嵌入式系統的設計要求，并且按一定的設計規則，把整個(gè)嵌入系統劃分成具有特定功能的若干個(gè)功能模塊，如處理器模塊、信號采集模塊、執行機構控制模塊等；然后，根據系統模塊劃分的結果，選擇現成已商品化的模塊或自行研制各功能模塊；最后把這些模塊組合成一個(gè)完整的嵌入式系統。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展和嵌入式系統小型化和微型化等方面要求，板級電子系統設計已經(jīng)開(kāi)始出現如下幾個(gè)方面的變化：

　　(1)嵌入式系統的核心器件——處理器(包括MCU、DSP和MPU等)已經(jīng)開(kāi)始向單芯片系統方向發(fā)展，例如，經(jīng)典 8051系列微控制器已經(jīng)從原來(lái)只有簡(jiǎn)單的并行I/O和串行接口(UART)發(fā)展到具有并行I/O、多UART、接口、紅外線(xiàn)傳輸、A/D轉換器、D/A 轉換器、模擬比較器、可編程模擬信號放大器、濾波器、PWM等的可編程片上系統(SOPC)型MCU芯片，即只需要極其少量的外圍器件就可以完成一個(gè)具有特定功能的嵌入式系統的設計工作；

　　(2)嵌入式系統的核心器件——處理器(包括MCU、DSP和MPU等)已經(jīng)開(kāi)始向平臺級芯片方向發(fā)展，目前所推出的高檔嵌入式處理器，無(wú)論是基于ARM體系結構、PowerPC體系結構還是基于MIPS體系結構的高檔嵌入式處理器，在單芯片上不僅具有各種功能的外圍接口，而且通常內置有RISC協(xié)處理器(例如RISC微控制器、數字信號處理器等)，同時(shí)還具有測試和自開(kāi)發(fā)接口，因此安全可以把其認為是一種硬件平臺級芯片，這樣使得嵌入式系統設計與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)由板級系統設計轉到芯片級系統設計；

　　(3)嵌入式系統的核心器件——處理器(包括MCU、DSP和 MPU等)已經(jīng)向高處理速度方向發(fā)展，從而使板級電子系統的PCB設計難度增加，設計重點(diǎn)不僅是PCB版圖設計，更重要的是電磁兼容性和系統可靠性設計。由此可見(jiàn)，由于嵌入式系統的核心部件——處理器向片上系統(SOC)發(fā)展，板級設計工作量逐漸減少，未來(lái)的嵌入系統的發(fā)展的重點(diǎn)將從板級電子系統設計轉到芯片級電子系統設計上(即轉移到片上系統設計上)，因此基于片上系統(SOC)設計方法必將成為未來(lái)嵌入式系統的發(fā)展主流。

　　對于一般的嵌入式系統設計者來(lái)講，尤其是國內的嵌人式系統設計者來(lái)講，基于片上系統(SOC)的設計方法還是主要停留在板級電子系統設計方法層次，即利用已經(jīng)推出的商用SOC芯片進(jìn)行板級電子系統設計，這主要是由于設計工具、資金、集成電路工藝等方面的限制所致。但是，由于近年來(lái)多晶圓(MPW)項目和 CPLD/FPGA技術(shù)的發(fā)展，尤其是可編程片上系統(SOPC——System-on-a-Programmable-chip)芯片的出現，使得一般的系統設計者進(jìn)入芯片級電子系統設計成 為可能。自從1999年出現第一個(gè)可編程片上系統(SOPC)器件以來(lái)，已經(jīng)有眾多可編程器件供應商推出了具有自己特色的可編程器件，最為典型的是世界上兩大可編程器件供應商——Xilinx公司和Altera公司在FPGA/CPLD基礎推出的系列可編程片上系統器件。其中，Xilinx公司先后推出的可編程片上系統器件有：Virtex系列、Virtex-E系列、Virtex-II系列、Virtex-Pro系列、Spaxtan系列、Spartan-II系列等；Altera公司先后推出的可編程片上系統器件有：APEX20系統、APEX II系列、Mercury系列、Excalibur系列、Stratix系列、Cyclone系列等。每個(gè)系列器件都有多種產(chǎn)品，以適用于不同的應用要求。因此，對于國內一般的系統設計者來(lái)講，基于可編程片上系統(SOPC)器件的嵌入式系統設計將是進(jìn)入芯片級電子系統設計的敲門(mén)磚。