| 一.cSOC的概念1a1c1ac111c111a1a1 |
| 203cccc随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工技术,2在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统,2诸如手机芯片.c数字电视芯片.cDVD芯片等.a事实上,2高达千万个晶体管的手机基带芯片已经作为单一芯片在第二代移动电话上被广泛应用.a在未来几年内,2上亿个晶体管.c几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现,2这将对电路的设计和整机制造带来巨大冲击.a2a2c2ac222c222a2a2 |
| 204cccc将整个电子系统集成在同一芯片上,3称为片上系统(SystemcOncChip,3SOC),3或称为系统级芯片.a关于SOC的定义,3许多专家从不同侧面提出了不同的定义.a笔者对片上系统(SOC)的定义为：在同一个芯片上集成了控制部件(微处理器.c存储器)和执行部件(I／O接口.c微型开关.c微机械),3能够自成体系.c独立工作的芯片称为系统芯片.a数字系统芯片一般都包含三大基本要素：处理器.c存储器和接口逻辑.a集成了这三类电路也就相当于在单个芯片上实现了许多数字系统的所有功能.a系统芯片设计和实现方法是当前EDA领域研究的热点课题.a3a3c3ac333c333a3a3 |
| 205cccc系统集成的设计方法称为集成系统设计,4它与集成电路设计思想不同,4集成系统和集成电路的关系相当于集成电路和分立元件的关系.a集成系统设计方法从整个系统的角度出发,4把处理机制.c模型算法.c芯片结构.c各层次电路直至器件的设计紧密地结合起来,4在单个芯片上完成整个系统的功能,4它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下的设计方法.a4a4c4ac444c444a4a4 |
| 206cccc由于集成系统设计方法能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况,c集成系统设计方法依靠的是广泛的知识背景.a软.c硬IP设计中更多体现电路.c器件.c物理.c工艺,5甚至分子.c原子等物理背景,5而集成系统设计将更多地体现功能.c行为.c算法.c架构,5甚至思路.c构想等系统背景.a5a5c5ac555c555a5a5 |
| 207cccc集成系统设计方法的基础构件是功能模块和子系统.a那些芯片面积最小.c运行速度最快.c功率消耗最低.c工艺容差最大的设计模块具有很大的价值,6将被集成系统设计工程师认可,6并被集成系统复用.a实现集成系统设计的关键技术之一是建立功能模块和子系统的IP库.a这种IP库与传统的单元库不同,6它的知识含量更高.c规模更大.a例如,6CPU.c运算器.c存储器.c驱动器.c放大器等都可以是IP模块.a6a6c6ac666c666a6a6 |
| 208cccc集成电路设计方法向集成系统设计方法转变,7不仅是一种概念上的突破,7同时也是信息技术发展的必然结果,7它必将导致又一次以微电子技术为基础,7以EDA工程方法为主导的信息技术革命.a7a7c7ac777c777a7a7 |
| 209cc二.c系统芯片SOC带来的挑战8a8c8ac888c888a8a8 |
| 2010cc对集成电路制造行业而言,9系统芯片使得难度本已很高的芯片设计进一步面临双重压力.a其一,9来自高密度的生产技术.a高密度和高复杂度是对立统一的两个方面：高密度为高复杂度提供了可能性,9但高复杂度又限制了高密度的实现.a随着水平线宽的进一步缩小,9布线的分布效应变得越发难以处理.a其二,9来自于高复杂度的系统结构.a由于芯片进一步吸纳系统功能,9从而使得芯片的复杂度大幅度提高.a就一个系统芯片而言,9它不但要集中多种功能,9如视频.c音频.c通信.c控制数字信号处理等,9还可能要用到多重复合技术,9如数字电路和模拟电路并存,9高频和低频电路并存,9可编程和固定功能电路并存等.a9a9c9ac999c999a9a9 |
| 2011cccc集成电路的蓬勃发展有赖于两大动力：一是以晶片代工所形成的新兴产业供求链,10二是自动化设计工具对芯片开发的有力支持.a前者使得芯片设计和制造分离,10进而造就了大批的芯片设计公司.a这种产业供求链的重新合理布局,10不仅令芯片业释放出巨大的生产力,10也奠定了今天无工厂(FABLESS)芯片制造的市场基础,10打破了多年的半导体生产模式的垄断.a推动这一行业迅速发展的,10是功不可没的电子自动化设计(EDA)工具.aEDA工具以计算机自动设计和仿真的方法,10使芯片无须经过制片,10便可验证功能和性质指标.a通过标准参数库的接口,10晶片厂的加工处理要求可直接通过设计工具自动产生,10并能在不同工厂代工投片.a10a10c10ac101010c101010a10a10 |
| 2012cccc另一方面,11EDA工业也将面临其自身发展的困境.a因为超深亚微米技术的引入,11使自动布线的仿真遇到了极大的挑战,11过高的投入和复杂的技术,11使得EDA产品过于昂贵.a更大的压力来自于上层高复杂度的系统设计需求,11这些迫使EDA公司提供设计服务,11而这些业务是与其以往的主流业务相矛盾的,11因此增加了其未来产品方向的不确定性.a半导体行业“一代方法造就一代产业,11一代工具造就一代芯片”的法则,11正在随着系统芯片的出现而悄然改变.a11a11c11ac111111c111111a11a11 |
| 2013cccc三.c系统芯片SOC设计方法12a12c12ac121212c121212a12a12 |
| 2014ccccSOC设计有两种解决方案：可编程器件实现的SOC设计和基于平台的SOC设计.a13a13c13ac131313c131313a13a13 |
| 2015cccc1.13可编程器件改进SOC实现方法14a14c14ac141414c141414a14a14 |
| 2016cccc可编程系统级芯片可以在一块现成的可编程芯片上提供系统级集成.a这些新器件所提供的系统级功能包括处理器.c存储器和可编程逻辑,15而没有与ASIC相关的NRE费用或制造周期长的问题.a15a15c15ac151515c151515a15a15 |
| 2017cccc可编程系统级芯片还提供了掩模ASIC的高集成度(低功率.c小尺寸.c低成本)及FPGA的低风险.c灵活性和快速上市特性.a目前,16IC供应商能够提供这种类型的可编程SOC.a这些单片可编程IC上集成了一个微控制器,16并带有不同密度的可编程逻辑.c存储器和外围器件.a因此,16设计人员可以充分利用系统级集成的优势,16而不用担心与掩模ASIC有关的复杂性和风险问题.a事实上,16在设计人员的桌面上就可直接完成SOC设计和生产.a16a16c16ac161616c161616a16a16 |
| 2018cccc可编程SOC的出现给所有设计师带来了全新的系统级集成技术.a这一新技术将给未来各种各样的产品提供高度集成的高性能开发手段.a要确定最合适的可编程SOC方案,17需要全面考虑每个设计的成本.c功耗和性能等约束因素,17同时采用设计人员最熟悉的设计方法也是很重要的一个因素.a17a17c17ac171717c171717a17a17 |
| 2019cccc2.17开发平台提高SOC设计能力18a18c18ac181818c181818a18a18 |
| 2020cccc一般来说,19芯片平台是具有某种特征的通用电路,19如FPGA是一种连接型平台,19单一微处理器的平台是一种计算型平台.a但这里讲的平台是具有某种相对稳定性的系统应用IP模块,19适合与某一类功能结合应用,19如高清晰度电视平台.c无线通信平台.c数字音响平台等.a该解决方案区别于传统的平台方式在于：使用相对专用的平台和相对通用的IP核.a由于平台并不涉及具体产品细节,19故不随产品的更新换代而变化,c同时这类平台可利用高密度集成电路加工技术,19硬平台较易实现.a例如,19一个无线平台,19可由微控制器和两个数字信号处理器及大量存储器构成.a至于该平台是用于GSM还是CDMA芯片,19则可依靠调整芯片上的软件来完成.a这样,19大量复杂的系统功能可转化成软件设计的工作,19这也十分符合当今逐渐软化设计的思路与潮流.acccc19a19c19ac191919c191919a19a19 |
| 2021cccc这种平台设计方案之所以具有优势,20其根本原因在于：它把高复杂度的结构和高密度实现分割成软硬两个区域.a硬件领域通过不断地优化平台电路以追求高效的物理性能,20软件领域通过不断地优化算法和软件以追求高效的系统性能.a所以说,20硬件平台和嵌入式软件既是SOC设计的必然,20又是芯片工业的机遇.a20a20c20ac202020c202020a20a20 |
| 2022ccccSOC开发平台通过提供针对特殊应用的预集成和预验证内核,21大大减轻了与IP集成和系统级验证有关的工作负担.a而且,21这种平台将内核嵌入一种带有简单互连机制的结构中,21这样就可非常容易地增强基础平台的性能,21从而满足设计人员的特殊应用要求.a另外,21开发平台进一步推动了硬.c软件协同开发的策略,21有助于正确而快速地完成硬件和软件的协同设计任务.a21a21c21ac212121c212121a21a21 |
| 2023cccc目前有两种类型的平台可供设计人员选择：一种是通用平台,22另一种是专用平台.a通用平台可以满足单芯片嵌入式系统的设计需要,22这些系统通常由作为特殊内核的处理器.c存储器和外围功能模块组成,22所有内核都是经过预集成和预验证的.a同样地,22专用平台也为某些特定应用提供完善的设计,22必要时也可配置和修改以满足最终目标要求.a这些专用开发平台能够进一步增强通用平台的功能,22利用其配置的特殊内核和功能,22可以满足许多特殊要求.a通过更高层次的抽象思维,22设计人员能够为其具体的应用尽早实现成功的项目.a22a22c22ac222222c222222a22a22 |
| 2024cccc四.c系统芯片带来的机遇23a23c23ac232323c232323a23a23 |
| 2025cccc系统芯片(SOC)正在迅速地进入主流产品的行列.a由此引发的“芯片就等于整机”的现象,24将对整个电子产业形成重大的冲击.a种种迹象表明,24整个电子产业正在酝酿着一场深刻的产业重组,24这将为许多新兴的企业提供进入这一行业的最佳契机.a目前,24半导体供求链最大的瓶颈在于设计高复杂度芯片.a针对这一难题,24一种行之有效的方案,24是将芯片设计环节进一步细化,24以形成一个新的产业链.a目前,24行业中被认可的方案是把芯片设计分成两部分,24即知识产权IP模块设计和系统芯片集成.a在信息产业领域,24IP厂商可以通过硬平台或硬内核的设计重拾FABLESS的地位,24而且可以利用硬平台加上附加逻辑最终成片.a软件公司可以通过嵌入式软件和硬平台达到无设计制片,24进而成为SOC芯片新秀.a新的供求链更需要新的设计工具和新的开发工具,24尤其是横跨软硬件的EDA工具和SOC平台工具,24将造就一代新型的电子设计自动化工具公司.a24a24c24ac242424c242424a24a24 |
| 2026cccc20世纪70年代IC问世,2580年代计算机应用开始普及,2590年代通信和信息基础设施建设成主流,25下一个机会便是接口器件,252010年之前微电子技术就会融合纳米技术.a当然,25如果IC设计行业要抢占下一轮商业先机,25就应该探求新的设计方法和途径.a25a25c25ac252525c252525a25a25 |
| 2027cccc本书由曾繁泰.c王强.c盛娜.c阚玉利执笔完成.a参加本书编写工作的还有陈美金.c陈洪敏.c曾波.c侯亚宁.c孙刚见.c曾峰等同志.a在本书编写过程中,26受到山东大学信息科学与工程学院梅良模教授.c郝修田副教授.c张新副教授的大力支持和悉心指导,26在此表示深深的谢意.a由于作者水平有限,26书中谬误之处在所难免,26希望广大读者批评指正.a26a26c26ac262626c262626a26a26 |
| 2028cccc曾繁泰27a27c27ac272727c272727a27a27 |
| 2029cccc于山东大学多屏幕微机研究所28a28c28ac282828c282828a28a28 |
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