片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境解析

片上系統(tǒng)（SOC——System-On-a-Chip）是指在單芯片上集成微電子應(yīng)用產(chǎn)品所需的全部功能系統(tǒng)，其是以超深亞微米（VDSM-Very Deep Subnicron）工藝和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP——Intellectual Property）核復(fù)用（Reuse）技術(shù)為支撐。SOC技術(shù)是當(dāng)前大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展趨勢(shì)，也是21世紀(jì)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(yīng)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(jī)遇。SOC為微電子應(yīng)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(tǒng)（SOC）引入導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法變革
　　就目前現(xiàn)狀而言，若以嵌入式系統(tǒng)所采用的核心器件——處理器進(jìn)行劃分，嵌入式系統(tǒng)可以分為三種類(lèi)型：基于微控制器（MCU）的嵌入式系統(tǒng)、基于信號(hào)處理器 （DSP）的嵌入式系統(tǒng)、基于微處理器（MPU）的嵌入式系統(tǒng)。其中，基于MCU的嵌入式系統(tǒng)是一種低端嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)共同的特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行速度低、數(shù)據(jù)處理能力弱和存儲(chǔ)空間有限（K級(jí)），因此只適合于低端的電子產(chǎn)品；基于DSP的嵌入式系統(tǒng)是中低端嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)共同特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行速度較高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，但是存儲(chǔ)空間也是有限的（K級(jí)、M級(jí)）；基于MPU的嵌入式系統(tǒng)通?？梢苑譃閮煞N類(lèi)型：基于CISC架構(gòu)微處理器的嵌入式系統(tǒng)和基于 RISC架構(gòu)微處理器的嵌入式系統(tǒng)。其中，CISC架構(gòu)微處理器通常是由x86體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行嵌入應(yīng)用擴(kuò)展而獲得一種類(lèi)型的嵌入式處理器；RISC架構(gòu)嵌入式微處理器可以分為三大體系結(jié)構(gòu)：ARM體系結(jié)構(gòu)、PowerPC體系結(jié)構(gòu)和MIPS體系結(jié)構(gòu)，基于這三大體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)共同特點(diǎn)是運(yùn)行速度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間足夠大（G級(jí)），因此是一種高端的嵌入式系統(tǒng)。
　　無(wú)論是低端、中端或高端嵌入式系統(tǒng)，其經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法仍然是一種板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：首先，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并且按一定的設(shè)計(jì)規(guī)則，把整個(gè)嵌入系統(tǒng)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(hào)采集模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊等；然后，根據(jù)系統(tǒng)模塊劃分的結(jié)果，選擇現(xiàn)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(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和嵌入式系統(tǒng)小型化和微型化等方面要求，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)如下幾個(gè)方面的變化：
　?。?）嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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、紅外線傳輸、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、可編程模擬信號(hào)放大器、濾波器、PWM等的可編程片上系統(tǒng)（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(tǒng)的設(shè)計(jì)工作；
　　（2）嵌入式系統(tǒng)的核心器件——處理器（包括MCU、DSP和MPU等）已經(jīng)開(kāi)始向平臺(tái)級(jí)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(jié)構(gòu)、PowerPC體系結(jié)構(gòu)還是基于MIPS體系結(jié)構(gòu)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(nèi)置有RISC協(xié)處理器（例如RISC微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等），同時(shí)還具有測(cè)試和自開(kāi)發(fā)接口，因此安全可以把其認(rèn)為是一種硬件平臺(tái)級(jí)芯片，這樣使得嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)由板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到芯片級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
　?。?）嵌入式系統(tǒng)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(jí)電子系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)難度增加，設(shè)計(jì)重點(diǎn)不僅是PCB版圖設(shè)計(jì)，更重要的是電磁兼容性和系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，由于嵌入式系統(tǒng)的核心部件——處理器向片上系統(tǒng)（SOC）發(fā)展，板級(jí)設(shè)計(jì)工作量逐漸減少，未來(lái)的嵌入系統(tǒng)的發(fā)展的重點(diǎn)將從板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上（即轉(zhuǎn)移到片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)上），因此基于片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)方法必將成為未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主流。
　　對(duì)于一般的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，尤其是國(guó)內(nèi)的嵌人式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，基于片上系統(tǒng)（SOC）的設(shè)計(jì)方法還是主要停留在板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法層次，即利用已經(jīng)推出的商用SOC芯片進(jìn)行板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這主要是由于設(shè)計(jì)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(xiàng)目和 CPLD/FPGA技術(shù)的發(fā)展，尤其是可編程片上系統(tǒng)（SOPC——System-on-a-Programmable-chip）芯片的出現(xiàn)，使得一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成 為可能。自從1999年出現(xiàn)第一個(gè)可編程片上系統(tǒng)（SOPC）器件以來(lái)，已經(jīng)有眾多可編程器件供應(yīng)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(yīng)商——Xilinx公司和Altera公司在FPGA/CPLD基礎(chǔ)推出的系列可編程片上系統(tǒng)器件。其中，Xilinx公司先后推出的可編程片上系統(tǒng)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(tǒng)器件有：APEX20系統(tǒng)、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(yīng)用要求。因此，對(duì)于國(guó)內(nèi)一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）器件的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的敲門(mén)磚。
　　那么，從板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致哪些方面的變化？主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
　?。?）在設(shè)計(jì)描述工具方面，傳統(tǒng)的板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用電路原理圖和元器件外形封裝圖作為設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言工具，而現(xiàn)在的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用文本方式的硬件描述語(yǔ)言（HDL——Hardware Description Language）作為設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言工具；
　?。?） 在設(shè)計(jì)流程方面，板極電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要經(jīng)歷電子系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)與仿真、印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)與仿真分板（包括信號(hào)完整性分析、電磁兼容性分析等）等二個(gè)階段，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)歷系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真、算法級(jí)設(shè)計(jì)與仿真、寄存器傳輸級(jí)（RTL）設(shè)計(jì)與仿真、邏輯綜合與驗(yàn)證、版圖設(shè)計(jì)綜合與驗(yàn)證等5個(gè)階段；
　?。?）在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方面，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的方法是先進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后再進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，難以實(shí)現(xiàn)軟硬同步設(shè)計(jì)或協(xié)同設(shè)計(jì)，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以比較容易實(shí)現(xiàn)軟硬件同時(shí)設(shè)計(jì)或協(xié)同設(shè)計(jì)；
　　（4）在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于具有特定功能的集成電路器件，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于具有特定功能的電路模塊——知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IP核）。因此，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)論是在設(shè)計(jì)方法上還是在設(shè)計(jì)工具方面都發(fā)生了較大的變化。
　　隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，特別是電子工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，基于深亞微米和超深亞微米的超大規(guī)模集成電路技術(shù)的片上系（SOC） 芯片需求日益擴(kuò)大，傳統(tǒng)的板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對(duì)電子產(chǎn)品需求。因此，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核復(fù)用的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方式。
　　2 基于可編程片上系統(tǒng)（SoPC）的設(shè)計(jì)流程
　　基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩大支撐點(diǎn)：可編程片上系統(tǒng)器件所能提供的片上資源和可復(fù)用IP核庫(kù)所能提供的IP核資源。其中，可編程片上系統(tǒng)器件所能提供的片上資源是由集成電路工藝技術(shù)發(fā)展決定的，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)講，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求盡量選擇合適的器件；可復(fù)用TP核庫(kù)所能提供的IP核資源需要通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者自行建設(shè)。在基于SOC的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)各類(lèi)專(zhuān)門(mén)技術(shù)、專(zhuān)門(mén)應(yīng)用、專(zhuān)門(mén)工具、專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工藝、專(zhuān)門(mén)產(chǎn)品的IP資源庫(kù)的建設(shè)和共享已形成一種規(guī)范，貫穿在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。圖1為典型的基于IP核庫(kù)的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)流程。