SoC與單片機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

引言

現(xiàn)場電子技術(shù)應(yīng)用中包含了硬件（HW）、硬件加軟件（HW+SW）、固件（FW）3個層次。這3個層次也可以說是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的3人發(fā)展階段。自1997年以來，電子技術(shù)應(yīng)用又增加了一個新的層次――片上系統(tǒng)（SOC）層次。SOC技術(shù)概念和應(yīng)用技術(shù)層次的出現(xiàn)，標志著現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用進入了SOC階段。

從各個發(fā)展階段看，自HW+SW階段開始，電子技術(shù)應(yīng)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(tǒng)的重要核心技術(shù)，單片機又以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，再次成為現(xiàn)代電子應(yīng)用技術(shù)的核心技術(shù)之一，并為SOC應(yīng)用技術(shù)提供了緊實的基礎(chǔ)。
SOC為各種應(yīng)用提供了一個新的實現(xiàn)技術(shù)。這種新的電子系統(tǒng)實現(xiàn)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(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機技術(shù)提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，使單片機應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。

本文根據(jù)幾年來對SOC技術(shù)和單片機應(yīng)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)系進行了討論，指出了SOC中單片機嵌入式應(yīng)用的技術(shù)特點。

一、SOC技術(shù)與應(yīng)用概念

所謂SOC技術(shù)，是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。使用SOC技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SOC技術(shù)設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)，除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外，其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。

1.系統(tǒng)功能集成是SOC的核心技術(shù)

在傳統(tǒng)的應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計中，須要根據(jù)設(shè)計要求的功能模塊對整個系統(tǒng)進行綜合，即根據(jù)設(shè)計要求的功能，尋找相應(yīng)的集成電路，再根據(jù)設(shè)計要求的技術(shù)指標設(shè)計所選電路的連接形式和參數(shù)。這種設(shè)計的結(jié)果是一個以功能集成電路為基礎(chǔ)，器件分布式的應(yīng)用電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計結(jié)果能否滿足設(shè)計要求不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數(shù)，而且與整個系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性有關(guān)。同時， 對于須要實現(xiàn)數(shù)字化的系統(tǒng)，往往還須要有單片機等參與，所以，還必須考慮分布式系統(tǒng)對電路固件特性的影響。很明顯，傳統(tǒng)應(yīng)用電子系統(tǒng)的實現(xiàn)，采用的是分布功能綜合技術(shù)。

對于SOC來說，應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計也是根據(jù)功能和參數(shù)要求設(shè)計系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)方法有著本質(zhì)的差別。SOC不是以功能電路為基礎(chǔ)的分布式系統(tǒng)綜合技術(shù)。而是以功能IP為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實現(xiàn)不再針對功能電路進行綜合，而是針對系統(tǒng)整體固件實現(xiàn)進行電路綜合，也就是利用IP技術(shù)對系統(tǒng)整體進行電路結(jié)合。其次，電路設(shè)計的最終結(jié)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技術(shù)基本無關(guān)。因此，使設(shè)計結(jié)果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設(shè)計的結(jié)果十分接近理想設(shè)計目標。

2.固件集成是SOC的基礎(chǔ)設(shè)計思想

在傳統(tǒng)分布式綜合設(shè)計技術(shù)中，系統(tǒng)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足盡可能多的使用面，必須考慮兩個設(shè)計目標：一個是能滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的功能控制要求目標；另一個是要考慮滿足較大范圍應(yīng)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，以使一般用戶能得到盡可能多的開發(fā)性能。但是，定制式電路設(shè)計的應(yīng)用電子系統(tǒng)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來說，從SOC的核心技術(shù)可以看出，使用SOC技術(shù)設(shè)計應(yīng)用電子系統(tǒng)的基本設(shè)計思想就是實現(xiàn)全系統(tǒng)的固件集成。用戶只須根據(jù)需要選擇并改進各部分模塊和嵌入結(jié)構(gòu)，就能實現(xiàn)充分優(yōu)化的固件特性，而不必花時間熟悉定制電路的開發(fā)技術(shù)。固件基礎(chǔ)的突發(fā)優(yōu)點就是系統(tǒng)能更接近理想系統(tǒng)，更容易實現(xiàn)設(shè)計要求。

3.嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結(jié)構(gòu)

在使用SOC技術(shù)設(shè)計的應(yīng)用電子系統(tǒng)中，可以十分方便地實現(xiàn)嵌入式結(jié)構(gòu)。各種嵌入結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)十分簡單，只要根據(jù)系統(tǒng)需要選擇相應(yīng)的內(nèi)核，再根據(jù)設(shè)計要求選擇之相配合的IP模塊，就可以完成整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。尤其是采用智能化電路綜合技術(shù)時，可以更充分地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的固件特性，使系統(tǒng)更加接近理想設(shè)計要求。必須指出，SOC的這種嵌入式結(jié)構(gòu)可以大大地縮短應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)周期。

4.IP是SOC的設(shè)計基礎(chǔ)

傳統(tǒng)應(yīng)用電子設(shè)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(tǒng)設(shè)計工程師所面對的是一個巨大的IP庫，所有設(shè)計工作都是以IP模塊為基礎(chǔ)。SOC技術(shù)使應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計工程師變成了一個面向應(yīng)用的電子器件設(shè)計工程師。由此可見，SOC是以IP模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計技術(shù)，IP是SOC應(yīng)用的基礎(chǔ)。

5.SOC技術(shù)中的不同階段

用SOC技術(shù)設(shè)計應(yīng)用電子系統(tǒng)的幾個階段如圖1所示。在功能設(shè)計階段，設(shè)計者必須充分考慮系統(tǒng)的固件特性，并利用固件特性進行綜合功能設(shè)計。當功能設(shè)計完成后，就可以進入IP綜合階段。IP綜合階段的任務(wù)利用強大的IP庫實現(xiàn)系統(tǒng)的功能I。P結(jié)合結(jié)束后，首先進行功能仿真，以檢查是否實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計功能要求。功能仿真通過后，就是電路仿真，目的是檢查IP模塊組成的電路能否實現(xiàn)設(shè)計功能并達到相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)指標。設(shè)計的最后階段是對制造好的SOC產(chǎn)品進行相應(yīng)的測試，以便調(diào)整各種技術(shù)參數(shù)，確定應(yīng)用參數(shù)。

二、SOC的應(yīng)用概念

現(xiàn)代科學技術(shù)應(yīng)用的重要特點之一，就是技術(shù)多樣性、智能多變性和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計性。所謂技術(shù)多樣性，就是實現(xiàn)同一個應(yīng)用電子系統(tǒng)可以有許多不同的設(shè)計方案供選擇；而不同的設(shè)計方案就意味著必須使用不同的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)。所謂知識多變性，是指在現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)目標的基礎(chǔ)理論和方法隨著新知識的出現(xiàn)不斷地在變化。這種變化不僅使應(yīng)用電子系統(tǒng)技術(shù)指標發(fā)生變化，甚至改變了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

隨著現(xiàn)代信息和電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，越來越多的應(yīng)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(tǒng)，信息應(yīng)用領(lǐng)域提出的個性化等要求，都使得一般固件技術(shù)難以勝任。特別是在民用領(lǐng)域，重視個性化的產(chǎn)品設(shè)計概念使應(yīng)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題。

SOC正是成為滿足現(xiàn)代科學和工程技術(shù)發(fā)展的要求而產(chǎn)生的現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)。傳統(tǒng)的觀念認為，只有大批量的產(chǎn)品才有集成的可能，才具有價格競爭優(yōu)勢。因此，到目前為止，大多數(shù)小批量產(chǎn)品，特別是研究性質(zhì)的應(yīng)用電子系統(tǒng)，一般都采用HW，HW+SW或FW技術(shù)實現(xiàn)。但隨著SOC的出現(xiàn)、發(fā)展和成熟，這種現(xiàn)狀已經(jīng)發(fā)生極大的變化。SOC為現(xiàn)代電子工程師提供了一個快捷經(jīng)濟的系統(tǒng)設(shè)計方法，使那么傳統(tǒng)觀念上認為高性能、高復雜度、高成本的嵌入式結(jié)構(gòu)，能夠通過低成本的單片芯片實現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅