嵌入式系统在SoC应用领域技术现状及发展趋势

嵌入式系统在SoC应用领域技术现状及发展

趋势

摘要

随着嵌入式系统与微电子技术的飞速发展与现代制造工艺和设计能力的不断进步，硬件的集成度越来越高，这使得将CPU、存储器和I／0设备集成到一个硅片上成为可能，SoC应运而生，系统芯片SoC已成为集成电路发展中的新焦点，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流。而不断涌现出大量功能强大且价格低廉的SoC芯片，使得嵌入式设备也具有了前所未有的强大处理能力，越来越广泛地应用于人们日常生活的方方面面。

引言

随着信息技术的发展，我们经历了PC时代，经历着网络时代，进而面向所谓后PC时代。当前，由于网络与Internet家庭化，使消费电子、计算机、通信趋于一体化，从人们在生活中使用的手机、PDA、电视、电冰箱等民用电子与通信产品，到导弹、卫星通信、潜艇等军用的控制核心，无一不打上嵌入式系统的烙印。嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、适应应用系统对动能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知

识集成系统。嵌入式系统广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，发展非常迅速，调查数据表明，嵌入式系统的增长为每年18％，大约是整个信息技术产业平均增长的两倍，目前世界上大约有2亿台通用计算机，而嵌入式处理器大约60亿个，嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业的重要增长点。随着集成电路制造工艺的飞速发展，嵌入式系统硬件的集成度越来越高，这使得将嵌入式微处理器、存储器、I/O设备等硬件组成部件集成到单个芯片上成为可能，片上系统SoC(System on Chip)应运而生。SoC极大地缩小了系统体积；减少了板级系统SoB (System on Board)中芯片与芯片之间的互连延迟，从而提高了系统的性能；强调设计重用思想，提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了产品的上市时间。因此SoC以其集成度高、体积小、功耗少、可靠性好、产品问世周期短等优点得到了越来越广泛地应用，并且正在逐渐成为当前嵌入式系统设计的主流技术。

嵌入式系统

所谓嵌入式系统，是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。随着微电子工艺和计算机技术的发展，嵌入式计算机系统的应用领域不断扩大，己被广泛地应用于航空航天、武器装备、机器人、通信设备、工业控制、汽车船舶直至个人电子产品等广阔的领域，形成了巨大的产业，工业年产值已超过一万亿美元。

随着嵌入式系统用户需求和相关技术的迅速发展，嵌入式系统设计的发展趋势如下：

1．嵌入式系统越来越复杂 随着用户需求的不断增加，嵌入式系统设计复杂性不断提高，设计规模不断增大，设计对象由单机走向分布式系统。

2．嵌入式系统向多元化发展 随着嵌入式系统应用领域不断扩大，不同场合对系统设计的功能、功耗、成本、面积等需求各不相同，嵌入式系统设计的要求由单目标走向多目标。

3．嵌入式系统趋于高集成化 随着嵌入式技术大量应用于手机、PSP、Pocket PC等用电池供电的移动设备之中，系统设计的功耗和体积限制要求不断增强，嵌入式产品的集成度越来越高。

4．嵌入式系统的设计重用 随着嵌入式产品更新速度加快，系统设计周期

不断缩短，新产品问世时间不断减小，系统设计更加强调设计重用。

5．嵌入式系统趋于软硬件综合考虑 不同于通用计算机系统上的开发软件，嵌入式系统是一个软件和硬件并存的系统，设计时要从软件和硬件两个领域来综合考虑问题，它们互相联系，相互补充和制约。

嵌入式系统在SoC应用领域技术现状

集成电路的发展已有40年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进，现已进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。 SoC (System - on - Chip)设计技术始于20世纪90年代中期,随着半导体工艺技术的发展,IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上, SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的FlexCore系统(用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器)和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC,可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高了ASIC的设计能力,因此发展非常迅速,引起了工业界和学术界的关注。SoC是集成电路发展的必然趋势。

大规模集成电路的复杂度依照摩尔定律，即每18个月单位元件数增加一倍 的速度迅速发展，现在已经能够在单一硅芯片上集成MCU(Micro Control Unit)、MPU(Micro Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)等模拟与数字混合电路，从而构成一个完整的系统，这就是片上系统(SoC)。SoC(System on Chip)系统芯片作为嵌入式系统的一种新形式，是21世纪集成电路发展的必 然趋势，SoC系统将原来由许多芯片完成的功能，集中到一块芯片中完成，实现了能够完成一个计算机系统功能所需的硬件集成电路和嵌入式软件。但SoC不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证方法，利用IP复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能。并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当今嵌入式系统设计

技术的主流。SoC芯片设计结合了IC设计和嵌入式软件开发两方面的内容，不但是国家软件产业和集成电路产业支持的重点，而且是学术界的研究热点和业界大力推广应用的一项新技术。

具体地说, SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等,此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。

当前系统芯片SoC已经成为IC设计业界的焦点, SoC性能越来越强,规模越来越大。SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC,同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等,使得SoC设计的复杂度大大提高。在SoC设计中,仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节,约占整个芯片开发周期的50%～80% ,采用先进的设计与仿真验证方法成为SoC设计成功的关键。SoC技术的发展趋势是基于SoC开发平台,基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法,分享IP核开发与系统集成成果,不断重整价值链,在关注面积、延迟、功耗的基础上,向成品率、可靠性、EMI 噪声、成本、易用性等转移,使系统级集成能力快速发展。 所谓SoC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SoC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SoC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

在使用SoC技术设计的应用电子系统中，可以十分方便地实现嵌入式结构。各种嵌入结构的实现十分简单，只要根据系统需要选择相应的内核，再根据设计要求选择之相配合的IP模块，就可以完成整个系统硬件结构。尤其是采用智能化电路综合技术时，可以更充分地实现整个系统的固件特性，使系统更加接近理想设计要求。必须指出，SoC的这种嵌入式结构可以大大地缩短应用系统设计开发周期。

由此可以看出，采用SoC技术设计嵌入式产品是顺应嵌入式系统设计发展 趋势的产物。

嵌入式系统在SoC应用领域技术发展趋势

过去的嵌入式系统硬件部分设计相对于软件部分来说更容易，系统开发主要

是在目标电路板上进行编程和交叉调试，所以那时的嵌入式系统开发很大精力都放在软件上，通常认为只要软件开发质量能够很好地保证，就可以很好地满足整个系统的功能和性能需求。传统的嵌入式系统设计流程如图1所示。系统软件和硬件划分完成以后，首先进行硬件子系统的设计与实现，再进行软件子系统的设计与实现，因此整个系统的设计与实现过程基本上是一个串行过程。

图1

随着微电子技术的飞速发展，硬件的集成度越来越高，嵌入式产品大量采用SoC技术，使得传统的嵌入式系统开发方法逐渐暴露出很多不足之处。

1．软件和硬件的开发过程割裂，缺乏沟通 现在的嵌入式系统在设计早期就分开进行，由于异构型系统软硬件复杂，这种设计过程使软件和硬件不能得以协调优化，导致了设计效率低下。

2．设计自动化层次低 系统级设计由设计人员手工完成，设计的好坏依赖于设计人员的经验，而随着系统规模不断提高，设计复杂度往往超出人的思维范围，导致设计不当。

3．设计过程串行化增加了设计周期 目前的设计流程主要采用先硬件后软

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