SOC设计方法与实现

关于对
《SoC设计方法与实现》的一点认识
作者杨红松
学号11160400322 指导教师山丹
完成日期2014年3月30日
摘要 (3)
一SoC概述 (3)
二SoC设计现状 (4)
1 芯核的设计流程 (7)
2 软硬件协同设计的流程 (8)
3 Soc的系统级设计流程 (9)
三SoC发展的现状 (10)
1 SoC在中国发展的现状 (10)
2 国外ＳＯＣ的发展现状 (11)
四SOC的未来发展趋势 (12)
通过将近四周的学习,我已经对SoC有了一些基本的认识。

在任课教师的指导下，我完成了此篇论文。

本文主要从什么是SoC ,SoC 有什么用途，SoC的设计，SOC发展的现状和未来趋势这五个方面来简单论述的，在论述的过程中查阅了一部分文献资料，并且兼顾含有了集成电路的相关知识。

关键词SoC 用途发展趋势
一SoC概述
随着集成电路1技术进入新的阶段，市场开始转向追求体积更小、成本更低、功耗更少的产品，因此出现了将多个甚至整个系统集成在一个芯片2上的产品––系统芯片（system on a chip,SoC）。

系统芯片将原来由多个芯片完成的功能，集中到单个芯片中完成。

更具体地说，它在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集、和转换电路、存储器、MPU3、MCU4、DSP5、MPEG6等，实现了一个系统
11952年5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会第一次提到了集成电路的设想。

他说：“可以想象，随着晶体管和半导体工业的发展，电子设备可以在一块固体块上实现，而不需要外部的连接线。

这块电路将有绝缘层、导体和具有整流放大作用的半导体等材料组成”，这就是最早的集成电路的概念。

2通常所说的“芯片”是指集成电路，它是微电子产业的主要产品。

3MPU有两种意思，微处理器和内存保护单元。

在微机中，CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为微处理器（MPU），微处理器插在主板的cpu插槽中。

4MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

5数字信号处理或数字信号处理器的简称
6动态图像专家组
的功能。

系统芯片并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，用软硬件结合的设计和验证方法，利用芯核复用技术及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂功能。

一个典型的SoC通常由一下部分组成：微处理器、存储器、提供数据路径的片上总线、定时和中断控制器、外部存储器、通信控制器、通用I/O接口。

另外还可以包括视频解码器、UART（通用异步收发器）接口等。

SoC按用途可分为两种类型：一种是专用SoC芯片，是专用集成电路（ASIC）向系统级集成的自然发展；另一种是通用SoC芯片，将绝大部分部件，如CPU、DSP、RAM、I/O等集成在芯片，同时提供用户设计所需的逻辑资源和软件编程所需的软件资源。

目前，SoC具有系统功能强、工作速度高、体积小、低成本、功耗低等优点，在高端微处理器、ＧＰＳ控制器、GSM手机、数码相机、数字电视、多媒体、视频游戏机、无线/有线网络、工业控制、交通运输等领域具有较强的市场竞争力，应用越来越广泛。

二 SoC设计现状
集成电路设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化直至最终物理实现的过程。

为了完成这一过程，人们提出了结构化和层次化的设计方法。

结构化的设计方法是把复杂抽象的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时进行设计，而且一些字模块的资源可以
共享。

层次化的设计方法是在不同的多个层次上对系统进行设计，它能使复杂的系统简化，并能在不同的设计层次上及时发现错误并加以纠正。

目前，在实际中进行具体的集成电路设计时，主要是通过ＥＤＡ软件，完成逻辑级描述和电路级描述，形成版图文件，根据版图文件制作掩膜版，在特定的工艺条件下加工制造，封装测试，最后形成集成电路芯片。

集成电路芯片的设计流程图如下:
系统描述
功能设计
逻辑设计
电路设计
版图设计
芯片设计
封装设计
图1.1 电路芯片的设计流程
系统描述就是在最高层对芯片进行规划,包括芯片的功能、成本、功耗甚至尺寸大小等一系列指标，并确定选择什么样的工艺。

功能设计是对系统的功能行为特性进行设计，常用的方法是时序图、子模块关系图和状态机等。

通过这一步将得到系统的逻辑结构，并反复模拟以验证其正确性。

之后,需要对设计进行综合和优化。

经过电路设计这一步,就可以把设计转化为晶体管级或电路级,通常用详细的电路图来表示。

版图设计是芯片设计中最费时的一步,它要把每个元件的电路表
示转换成几何表示,同时元件间的网表也被转换为几何连接图形。

这种电路的几何表示即为版图。

版图设计要求符合与制造工艺有关的设计规则要求,通常要进行物理设计规则检查、版图网表提取、电学规则检查、版图和原理图一致性比较等一系列检查，以确保版图设计的正确性。

芯片制造也成为流片,是指把经过验证的版图送到半导体厂家去做芯片,一般要经过氧化、光刻、掺杂、金属化等工艺过程。

芯片的封装形式有多种，可以根据需要封装为贴片或其他形式,同时对芯片进行功能测试和结构测试,以确保芯片的性能满足要求。

与一般的集成电路芯片的设计流程类似,对功能上比较复杂的电路,他们的设计步骤更多,在物理实现时对工艺的要求高。

在图1.2中,给出了一种超大规模集成电路的设计流程,在完成了行为级描述的转换,获得RTL描述。

这里的主要原因在于现有的一些点子设计自动化工具是接受ＲＴＬ级描述的ＨＤＬ文件进行自动逻辑综合。

转化后的RTL描述同样需要进行验证与仿真。

在RTL描述中,设计者需要描述所设计电路中的数据流。

从这步之后,设计过程是在计算机辅助设计(ＣＡＤ)工具的帮助下完成的。

电路设计规范
行为级描述
RTL描述
功能验证与测试
逻辑综合
门级网表
逻辑验证与测试
布局与布线
物理版图
版图验证
生产
图1.2 一种超大规模集成电路的设计流程
系统芯片的设计主要涵盖设计复用技术、软硬件协同设计技术、纳米级电路设计技术。

设计复用主要是软硬件划分、硬件结构设计、基于硬件的软件结构生成、面向软件的多处理单元设计等。

纳米级电路设计主要是时序综合及时延续驱动的逻辑设计、低压低功耗设计等。

1 芯核的设计流程
IP芯核的设计，除了需要使用先进的开发工具之外，还要符合标准的接口方式及采用严格的测试与验证手段。

芯核的设计可以分为两个方面：设计与验证。

芯核的设计流程一般可划分为：规范的确定与模块划分、子模块设计、顶层模块的设计、产品化等几个阶段。

芯核的验证流程一般主要有：建立参照模型、建立测试平台和准备验证
用例、形式验证等。

芯核设计的主要步骤与流程如
图3.1所示：
关键特性的定义
制定设计规范
模块划分与自模块设计
验证
芯核的产品化
图3.1 芯核的设计流程
2 软硬件协同设计的流程
为了缩短系统开发周期，提高系统的设计质量，人们提出
了软硬件协同设计的方法。

软硬件协同设计是将软件设计和硬件设计
作为作为一个整体并行进行，在设计过程中，硬件和软件设计是相互
作用的。

这种相互作用发生在设计过程的各个阶段和各个层次，从
而使所设计的系统能高效工作。

软硬件协同设计的基本流程如图4.1
所示：
系统描述
硬件/软件任务划分
硬件设计硬件/软件借口软件设计
系统集成
仿真验证
综合实现
图4.1 软硬件协同设计流程
3 Soc 的系统级设计流程
在系统芯片的系统级设计过程中,应该根据用户的需求,确定系统芯片应实现的系统级功能和性能。

SoC 的系统级设计流程图如图
5.1所示。

用户需求
SoC 的系统规约
将规约转换为功能需求与性能需求
行为/功能设计
功能验证
软件功能与硬件功能划分
架构映射
硬IP 库软ＩＰ库性能分析与验证架
构是否满足需求最终架构
否是
图5.1 SoC 的系统级设计流程
根据用户的需求来定制系统芯片的系统规约，从而确定系统芯片的功能需求与性能需求。

通过行为/功能设计与分析来分解系统芯
片的系统级描述，这里主要是对系统在各种模式下的处理要求以及相应的数据流、控制流进行细致的分析。

在行为/功能设计之后，可以得到系统芯片的软件功能与硬件功能的划分，并将系统行为映射为IP 库中已有的各种硬件和软件元素所构成的一种装备选架构，然后验证该架构是否符合拟定的功能和性能。

如果不符合，则选择其他的架构。

三SoC发展的现状
1 SoC在中国发展的现状
SoC这个概念，自传入中国起，就深深地烙下了中国特色。

由于信息产业安全企业和需求的也属性使然，由于中国网络与安全管理理念、制度、体系、机制的落后使然。

中国SoC 的引入和发展与国外的情况有一个很大的不同，就是国内在提出SoC的时候，除了电信、高度信息化的单位，大部分企业和组织连ＮＯＣ都没有建立起来。

于是，国内SoC的发展一句行业的不同出现了截然不同的发展轨迹。

电信、移动、民航、金融等单位较早的建立了ＮＯＣ，对ＳＯＣ的人是过程与国外基本保持一致。

其他企业和组织则对ＳＯＣ的认识模糊，从而更加讲求实效。

这两类客户对于ＳＯＣ的需求和期望是截然不同的，后者在需求的广度上超过了前者，因而用移动、民航、金融领域的ＳＯＣ反而难以满足政府等企事业单位客户的需求。

SOC在国内也有两个发展维度，产品和服务。

SOC产品
在国内，一般把SOC产品成为安全管理平台，但是，公安部的《安全管理平台产品检测规范》并没有真正涵盖
现在的SOC的全部内容。

国内的安全管理平台具有侠义和
广义两个定义。

狭义上，安全管理平台中待你是指对安全设备的集中管
理，包括集中的运行状态监控、事件采集分析、安全策略
下发。

而广义的安全管理平台则不仅针对安全设备进行管理，还
要针对所有IT资源，甚至是业务系统进行集中的安全管
理，包括对IT资源的运行监控、事件采集分析、还包括
风险管理与运维等内容。

这也是ＳＯＣ的一般定义。

SOC 服务
在国内，ＳＯＣ服务始终处于萌芽状态，与国外的如火如荼形成了鲜明的对比。

这是国内信息安全产业发展整体
所处的阶段所致。

最后，无论SOC如何在国内发展，这个概念已经渐渐为业界所认同，也得到了客户的认可。

随着国内信息安全
水平的提升，信息安全产、学、研都纷纷加大了对他的关
注力度。

2 国外ＳＯＣ的发展现状
国外的SOC并没有明确的定义，其发展轨迹可以从产品和服务两个角度来看。

SOC产品
国外鲜见以ＳＯＣ命名的产品，SOC更多地是与服务挂钩的。

国外产品厂使用了SIEM（Security Information
and Event Mangement,安全信息与事件管理）这个词来代
表SOC产品，以示产品与服务的区隔。

必须指出的是，SIEM产品与我们理解的SOC产品是有区别的，ＳＩＥＭ产品是ＳＯＣ的核心产品，但不是
全部。

四SOC的未来发展趋势
展望未来，ＳＯＣ的发展始终会沿着两个路径前进：产品和服务。

从产品的角度来看，从SOC1.0到ＳＯＣ２.０，实现了业务与安全的融合，符合整个ＩＴ管理需求、技术的发展大势。

下一步，将会不断涌现面向业务的SOC2.0产品。

随着客户需求的日益突出，业务系统的日益复杂，越来越多的企业和组织会部署SOC系统。

从服务的角度看，ＳＯＣ将成为ＭＳＳＰ（可管理安全服务提供商）的服务支撑平台，成为Ｓａａｓ（软件即服务，安全即服务）的技术支撑平台，成为云计算、云安全的安全管理后台。

所有用户体验到的安全服务都会由SOC来进行总体支撑。

一方面，SOC产品的业务理念和思路会渗透到SOC服务之中；另一方面，SOC服务水平与客户认知的提升也会促进SOC产品的发
展与成熟。

参考文献
[1]潘中良.《系统芯片SoC的设计与测试》.科学出版社.2009.10
[2]赵鹏.朱正学.李金才.《SoC系统开发从实践到提高》.中国电力出版社.2007.06
[3]CBS中国．ｚｏｃ．《安全管理平台（ＳｏＣ）的发展趋势分析》.2009.08.18。