1、嵌入式嵌入式处理器处理器-片上系统片上系统SoCSoCITIT业的重要组成业的重要组成通信神经软件灵魂芯片心脏2摩尔定律的伟大经济意义摩尔定律的伟大经济意义 每过18个月，IC中晶体管的集成度增加一倍。微米时代：-1.2 亚微米时代：0.8-0.5 深亚微米时代：0.35-0.25-0.18-0.13 纳米时代：0.09(90nm)-60nm-45nm-30nm3对学科的认识对学科的认识4学科：学科：微电子学微电子学工业原料：工业原料：半导体半导体产品形式：集成电路集成电路产业是战略性产业集成电路产业是战略性产业 集成电路产业关系到国家安全、国防安全、信息安全u集成电路是现代军事系统和武器装备
2、的核心u军用微电子技术是“打赢一场现代高技术战争”的重要技术保证。5集成电路产业是带动性产业集成电路产业是带动性产业 现代经济发展的数据表明，每1元集成电路产值能带动10元左右电子信息产业产值，进而带动100元左右的GDP增长。集成电路产生的发展规模和技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。6微电子产业是基础产业微电子产业是基础产业基础性微电子是信息产业的基础，如网络技术、光电子、生物工程等21世纪重点发展领域均与微电子技术密切相关。核心性微电子是信息产业的核心，是通信技术、计算机技术、网络技术、数字音频技术的重要载体，是信息处理、信息管理、信息安全的平台。广泛性微电子产品应用到国民经济
3、和社会发展的各个领域，如汽车行业增值部分的70%来源于微电子。7各国对微电子产业的高度重视各国对微电子产业的高度重视美国对微电子产业高度重视，1985年美国国防部采取政府行动，委托半导体产业协会成立了半导体制造技术产生联盟，确保其在世界半导体领域的领先地位。日本为了赶超世界水平，曾由政府组织过产管学体制，从而使日本半导体制造技术和制造设备一度称霸全球。2001年以来，日本政府牵头组织了类似组织，实施MARIA计划，企图重新夺回霸权地位。韩国半导体产生靠出口起家，技术上以跨越求发展，生产上以出口为突破口，目前已经成为世界半导体第三大生产国。台湾微电子产业于世纪年代中期由芯片封装业作为切入点，以引
4、进技术发展芯片制造业并进行自主开发开始起步，成功的走出了一条以标准工艺加工线（）加工为主体，以设计和封装为两翼，以出口为导向的微电子产业发展道路。8我国目前我国目前ICIC产业存在的问题产业存在的问题自主创新能力弱自主创新能力弱由于缺乏自主知识产权核心技术，尤其是核心芯片绝大部分依靠进口，自主创新能力弱专用专用设备、仪器和设备、仪器和材料发展滞后材料发展滞后我国微电子所用的专用设备、仪器和材料方面，和西方发达国家相比差距很大，8英寸以上的设备和材料几乎全部进口，因此，我国微电子产业发展滞后产业规模小，大企业少产业规模小，大企业少2005年我国前十名的微电子设计企业销售收入总额为51.6亿，相当
5、于世界排名第一位的美国高通公司35亿美元的18%，不及第10名Alteration Corporate的11亿美元，因而我国微电子产业规模小，大企业少供需缺口继续扩大供需缺口继续扩大预计到“十一五”末期，每年微电子进口将达到1100亿块，900亿美元左右。我国微电子的产量只能满足市场需求的30%人才缺乏人才缺乏高级管理人才、学术带头人和复合人才的缺少，仍将继续制约我国微电子产业发展，是影响产业创新能力的重要因素。9SoCSoC技术的开发与技术的开发与应用应用 SoC（Systems on Chip片上系统）技术的工作开始于20世纪90年代，虽然对SoC至今尚无非常明确的定义，但一般认为采用深亚
6、微米深亚微米（DSM）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计是SoC的三大技术特征。10SoCSoC三大技术特征三大技术特征Soc还没有一个公认的准确定义，但有三大技术特征：u采用深亚微米（DSM）工艺技术，IP核（Intellectual Property Core）复用以及软硬件协同设计。uSoC的开发是从整个系统的功能和性能出发，利用IP复用和深亚微米技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法，综合考虑软硬件资源的使用成本，设计出满足性能要求的高效率、低成本的软硬件体系结构，从而在一个芯片上实现复杂的功能，并考虑其可编程特性和缩短上市时间。u使用SoC技术设计的芯片，一般有一个或多个微处理
7、器芯片和数个功能模块。各个功能模块在微处理器的协调下，共同完成芯片的系统功能，11SoCSoC的产生和发展有三个方面的原因的产生和发展有三个方面的原因 首先，是微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。其次，几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于工艺技术的发展，在深亚微米（DSM）阶段变的更加突出，因而SoC设计技术应运而生。第三，电子系统发展的需要，利用SoC可以大大减少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，缩小体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。12SoCSoC的产生和发展有三个方面的原因的产生和发展有三个方面
8、的原因按照1999年国际半导体技术发展指南（ITRS1999），目前组成SoC的模块单元可以包括微处理器核，嵌入式SRAM、DRAM和FLASH以及某些特定的逻辑单元。逻辑单元。ITRS1999 认为，开发SoC的根本目标是提高性能和降低成本SoC开发的另一个重要的考虑是他的可编程特性（通过软件、fpga.flash或其它手段来实现）13IPIP核是核是SoCSoC的建造基础的建造基础 今天所称的IP（Intellectual Property）是指那些较高集成度并具有完整功能的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模块。IP模块的再利用，除了可以缩短SoC芯片的设计时间外，还能大
9、降低设计和制造的成本，提高可靠性。14IPIP核的三种类型核的三种类型15序号序号类别类别存在形式存在形式特点特点1软核HDL语言形式HDL语言描述，灵活度高，可修改，与工艺独立，可根据具体的加工工艺重新综合；IP很难保护，必须在目标工艺中实现，并由系统设计者验证，优点是源代码灵活，可重定目标于多种制作工艺，在新功能级中重新配置。2固核网表形式逻辑综合后的描述，与工艺相关，由于内核是预先设计的代码模块，因此这有可能影响包含该内核的整体设计。3硬核版图形式。物理综合后的描述，准备流片，包含工艺相关的布局和时序信息，IP很容易保护，多数的处理器和存储器确保性能：速度、功耗等难以转移到新工艺或集成到
10、新结构中，是不可重配置 的IPIP核的三种类型核的三种类型根据IP使用的划分，IP建立者可按下列三种形式设计IP：可再用、可重定目标以及可配置。u可再用IP是着眼于按各种再使用标准定义的格式和快速集成的要求而建立的，便于移植，更重要的是有效集成。u可重定目标IP是在充分高的抽象级上设计的,因而可以方便地在各种工艺与结构之间转移。u可配置IP是参数化后的可重定目标IP，其优点是可以对功能加以裁剪以符合特定的应用。这些参数包括总线宽度、存储器容量、使能或禁止功能块。硬IP与软IP的意图不同，因而对IP的开发和在这之后的IP的集成采用不同的方法。16IPIP核的三种类型核的三种类型1.1.软软核核软
11、核是用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，通常是以硬件描述语言HDL源文件的形式出现。IP的设计周期短，设计投入少。由于不涉及物理实现，为后续设计留有很大的发挥空间，增大了IP的灵活性和适应性。其主要缺点是在一定程度上使后续工序无法适应整体设计，从而需要一定程度的软IP修正，在性能上也不可能获得全面的优化。由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。17IPIP核的三种类型核的三种类型1.1.软软核核软IP是以综合形式交付的，因而必须在目标工艺中实现,并由系统设计者验证。其优点是源代码的灵活性，它可重定目标于多种制作工艺，在新功能级中重新配置。由于设
12、计以高层次表示，因而软IP是可再用的，易于重定目标和重配置，然而预测软IP的时序、面积与功率诸方面的性能较困难。为了实现最高效率的再使用并减少集成时间，IP应从软件源代码开始;而为了确保性能，复杂IP应以硬IP的形式共享。18IPIP核的三种类型核的三种类型2.2.固固核核固核则是软核和硬核的折衷。大多数应用于FPGA的IP内核均为软核，软核有助于用户调节参数并增强可复用性。软核通常以加密形式提供，这样实际的 RTL对用户是不可见的，但布局和布线灵活。在这些加密的软核中，如果对内核进行了参数化，那么用户就可通过头文件或图形用户接口(GUI)方便地对参数进行操作。19IPIP核的三种类型核的三种
13、类型2.2.固固核核对于那些对时序要求严格的内核(如PCI接口内核)，可预布线特定信号或分配特定的布线资源，以满足时序要求。这些内核可归类为固核，由于内核是预先设计的代码模块，因此这有可能影响包含该内核的整体设计。由于内核的建立(setup)、保持时间和握手信号都可能是固定的，因此其它电路的设计时都必须考虑与该内核进行正确地接口。如果内核具有固定布局或部分固定的布局，那么这还将影响其它电路的布局。20IPIP核的三种类型核的三种类型3.3.硬硬核核硬IP对功率、体积和性能进行了优化，并映射至特定的工艺。具体实例包括已完成布局布线的网表，以特定工艺库或全定制物理布图，或两者之组合。硬IP是特定工
14、艺来实现的，通常用GDSII格式表示。21IPIP核的三种类型核的三种类型3.3.硬硬核核硬IP可以再使用，且由于它已处于设计表示的最底层，因而最容易集成。硬IP已完全用目标工艺实现，是按十分接近于标准单元库元件的形式交付的，故而允许设计者将IP快速地集成在衍生产品中。硬IP最大的优点是确保性能，如速度、功耗等。然而难以转移到新工艺或集成到新结构中，是不可重配置的。22满足满足SoCSoC的设计的设计要求必须要求必须有四个有四个特征特征从满足SoC的设计要求来说，它必须有四个特征：1.必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的；2.必须是经多次优化设计，达到通常的“四最四最”（芯片面积最小，
15、运算速度最快、功耗最小，工艺容差最大）的目标3.必须是允许许多国家公司在支付一定费用后商业运用的，而不是本公司内部专用的。4.必须符合IP标准。1996年9月，世界35个著名公司组成一个 国际性企业联合组织即虚拟插座接口联盟VSIA23片上系统片上系统的含义的含义 在在单个芯片上集成一个完整的单个芯片上集成一个完整的系统系统一般包括系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通信的接口模块、含有ADC/DAC的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块，是是一个具备特定功能、服务于特定市场的软件和硅集成电路的一个具备特定功能、服务于
16、特定市场的软件和硅集成电路的混合体混合体比如WLAN基带芯片、便携式多媒体芯片、DVD播放机解码芯片等。24印刷电路印刷电路板板、片上系统片上系统技术技术、可编程片上系统技术可编程片上系统技术SoCSoC设计技术始于设计技术始于2020世纪世纪9090年代中期，它是一种系统级的设计年代中期，它是一种系统级的设计技术技术u利用各种通用集成电路IC（Integrated Circuit）进行印刷电路板PCB（Ptinted Circuit Board）板级的设计和调试，u使用ASIC（特定用途的集成电路器特定用途的集成电路器）为物理载体进行芯片设计的技术称为片上系统技术，即SoC；u使用FPGA（
17、现场可编程逻辑门阵列现场可编程逻辑门阵列）作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程片上系统技术，即SoPC（System on Programmable chip）。SoCSoC技术和技术和SoPCSoPC技术都是系统级芯片设计技术（统称为广义技术都是系统级芯片设计技术（统称为广义SoCSoC）。ASIC ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）特定用途的集成电路器，如电视、音响、录放机、摄影机等各种专用型订做的 IC 即是25系统级芯片设计系统级芯片设计主要主要的的3 3个关键的支撑个关键的支撑技术技术软、硬件的协同设计软、硬件的协同设计技术
18、技术 主要是面向不同目标系统的软件和硬件的功能划分理论（Functional Partition Theory）和设计空间搜索技术。IP模块复用模块复用技术技术 IP是指那些集成度较高并具有完整功能的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、Flash等模块。模块以及模块界面间的综合分析和验证技术模块以及模块界面间的综合分析和验证技术 综合分析和验证是难点，要为硬件和软件的协同描述、验证和综合提供一个自动化的集成开发环境。26SoCSoC 具有以下几方面的具有以下几方面的优势优势1 1.减少体积重量减少体积重量：数颗IC 整合为一颗SoC后，可有效缩小电路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色2
19、 2.降低用电功耗降低用电功耗：随电子产品向小型化、便携化发展，对其省电需求将大幅提升，由于SoC 产品多采用内部讯号的传输，可以大幅降低功耗。3 3.提高运行速度提高运行速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升，而使产品性能有所提高。27SoCSoC 具有以下几方面的具有以下几方面的优势优势4 4.丰富系统功能丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，SoC 可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。5 5.节省投入成本节省投入成本：理论上，IP模块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测
20、试成本增加，及生产成品率下降。虽然，使用基于IP 模块的设计方法可以简化系统设计，缩短设计时间28SoCSoC 在在IPIP模块模块的的重用问题重用问题1.要将IP模块集成到SoC中，要求设计者完全理解复杂IP 模块的功能、接口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等。2.随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难。即使每个IP 模块的布局是预先定义的，但把它们集成在一起仍会产生一些不可预见的问题，如噪声，这些对系统的性能有很大的影响。IP 模块的标准化可以在一定程度上解决上述问题。过去，各个芯片设计公司、IP 厂商和EDA 公司以自己内部的规范作为设计标准，但随着So
21、C 设计的中心向用户端的转移，IP 模块的广泛使用，以及越来越多EDA 工具的出现，这些内部标准已经无法适应SoC 设计的需要。29片上系统的发展及应用片上系统的发展及应用从技术层面上看，以下几个方面推动了SoC 技术的发展：（1）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。物理基础。（2）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、
22、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。30片上系统的发展及应用片上系统的发展及应用（3）EDA（Electronic Design Automation）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。由于空前绝后的高效集成性能，片上系统是替代集成电路的主要解决方案。SoC 已经成为当前微电子芯片发展的必然趋势31
