SoC片上系统初级学习资料

2。SOC 设计初级培训（Altera 篇） 随着通讯行业的迅猛发展和信息家电的迅速普及，迫使集成电路产商不断发展 IC 新品种， 扩大 IC 规模，增强 IC 性能，提高 IC 的上市时间(Time to maeket) ，同时还需要实现品 种的通用性和标准化，以利于批量生产，降低成本。据预测，SoC 销售额将从 2002 年的 136 亿美元，增长到 2007 年的 347 亿美元，年增长率超过 20%。
1．软 IP 核 软 IP 核主要是基于 IP 模块功能的描述。它在抽象的较高层次上对 IP 的功能进行描述，并 且已经过行为级设计优化和功能验证。它通常以 HDL 文档的形式提交给用户，文档中一般 包括逻辑描述、网表，以及一些可以用于测试，但不能物理实现的文件。使用软 IP，用户 可以综合出正确的门电路级网表，进行后续结构设计，并借助 EDA 综合工具与其他外部逻 辑电路结合成一体，设计出需要的器件。虽然，软 IP 的灵活性大，可移植性好，但同硬 IP 相比，因为它不含有任何具体的物理信息，所以如果后续设计不当，很可能导致设计失败。 另外，后续的布局布线工作也将花费大量的时间。
3．固 IP 核 固 IP 核主要是基于 IP 模块结构的描述，可以理解为介于硬 IP 和软 IP 之间网表的混合形式提交用户使用。以便用户根据需 要进行修改，使它适合某种可实现的工艺流程。近年来电子产品的更新换代周期不断缩短， 而系统芯片的复杂程度却在增长，为了缓和这一矛盾，SoC 设计普遍采用基于 IP 模块的 设计方法。因为 IP 模块是预先设计好的，并通过了验证，设计者可以把注意力集中于整个 系统，而不必考虑各个模块的正确性和性能，这除了能缩短 SoC 芯片设计的时间外，还能 降低设计和制造成本，提高可靠性。IP 重用技术使芯片设计从以硬件为中心，逐渐转向以 软件为中心，从门级的设计，转向 IP 模块和 IP 接口级的设计。构建一个系统是个复杂的 过程，实际应用中，设计者往往到设计的后期才可以明确软件和硬件要实现的功能，系统要 达到的性能等具体指标。而这些指标又实际决定了该选择哪个 IP 模块。当然，不是所需要 的 IP 内核模块都可以从市场上买得到，为了垄断市场，一些公司开发出来的关键 IP 内核 模块是不愿意授权转让的。像这样的 IP 内核模块就只有自己组织力量来开发了。
2．硬 IP 核 硬 IP 核主要是基于 IP 模块物理结构的描述。它提供给用户的形式是电路物理结构掩模版 图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。其优点为，完成了全部的前端和后端设计， 已有固定的电路布局局和具体工艺，可以确保性能，并缩短 SoC 的设计时间。但因为其电 路布局和工艺是固定的，同时也导致了灵活性较差，难以移植到不同的加工工艺。
1.1.2 IP 复用技术 SoC 的设计基础是 IP（Intellectual Property）复用技术。SoC 芯片需要集成一个复杂的系 统，这导致了它具有比较复杂的结构，如果是从头开始完成芯片设计，显然将花费大量的人 力物力。另外，现在电子产品的生命期正在不断缩短，这要求芯片的设计可以在更短的周期 内完成。为了加快 SoC 芯片设计的速度，人们将已有的 IC 电路以模块的形式，在 SoC 芯 片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间，提高设计效率。这些可以被重复使用 的 IC 模块就叫做 IP 模块（或者系统宏单元、芯核、虚拟器件）。IP 模块是一种预先设计 好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有 3 种不同形式：软 IP 核 (soft IP core)、固 IP 核(firm IP core)和硬 IP 核(hard IP core)。
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关键词：片上系统(SoC), 消费产品，嵌入式系统，IP 复用，SoPC，实时操作系统
第1 章
SoC 简介
近 10 年来，无论是消费类产品如电视、录像机，还是通信类产品如电话、网络设备，这些 产品的核心部分都开始采用芯片作为它们的“功能中枢”，这一切都是以嵌入式系统技术得到 飞速发展作为基础的。SoC (System on Chip，片上系统) 是 ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以 IP 复用技术 为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。狭意些理解，可以将它 翻译为“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和 I/O 等功能， 包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义些理解，可以将它翻译为“系统芯片集成”，指一 种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。
从技术层面上看，以下几个方面推动了 SoC 技术的发展： (1) 微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，已从亚 微米(0.5 到 1 微米)进入到深亚微米(小于 0.5 微米)，和超深亚微米(小于 0.25 微米)。其特 点为：工艺特征尺寸越来越小、芯片尺寸越来越大、单片上的晶体管数越来越多、时钟速度 越来越快、电源电压越来越低、布线层数越来越多、I/O 引线越来越多。这使得将包括的微 处理器、存储器、DSP 和各种接口集成到一块芯片中成为可能。 (2) 计算机性能的大幅度提高，使很多复杂算法得以实现，为嵌入式系统辅助设计提供了物 理基础。 (3) EDA(Electronic Design Automation，采用 CAD 技术进行电子系统和专用集成电路设计)
1.1 SoC 1.1.1 SoC 概述
SoC 最早出现在 20 世纪 90 年代中期，1994 年 MOTOROLA 公司发布的 Flex CoreTM 系统，用来制作基于 68000TM 和 Power PCTM 的定制微处理器。1995 年，LSILogic 公 司为 SONY 公司设计的 SoC，可能是基于 IP ( Intellectual Property)核进行 SoC 设计的最 早报道。由于 SoC 可以利用已有的设计，显著地提高设计效率，因此发展非常迅速。SoC 是市场和技术共同推动的结果。从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提高。计算机、 通信、消费类电子产品及军事等领域都需要集成电路。例如，在军舰、战车、飞机、导弹和 航天器中集成电路的成本分别占到总成本的 22％、24％、33％、45％和 66％。
综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级 别的一体化开发集成环境。 (4) 硬件描述语言 HDL(Hardware Description Language)的发展为电子系统设计提供了建 立各种硬件模型的工作媒介。目前，比较流行的 HDL 语言包括已成为 IEEE STD1076 标 准的 VHDL、IEEE STD 1364 标准的 Verilog HDL 和 Altera 公司企业标准的 AHDL 等。