SoC面世八年后的产业机遇 - 嵌入式系统

[b]1 SoC基本情况 (1)什么是SoC[/b] 20世纪90年代中期，因使用ASIC实现芯片组受到启发，萌生应该将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗硅片上的想法。这种芯片，初始起名叫System on a Chip(SoC)，直译的中文名是系统级芯片。如何界定SoC，认识并未统一。但可以归纳如下： ①SoC应由可设计重用的IP核组成，IP核是具有复杂系统功能的能够独立出售的VLSI块； ②IP核应采用深亚微米以上工艺技术； ③SoC中可以有多个MPU、DSP、MCU或其复合的IP核。由上可见，无论从功能、工艺和应用技术上，SoC都是站在高的起点上，对复杂功能的VLSI级IP核，使用重用技术。由于使用的是VLSI级的IP核为部件，设计重用的效率非常高。 (2)硬核、软核、固核 IP核是可设计重用的核。“设计重用”是指在设计硬件版图时予以重用，以区别于过去所说的软件“重用”。所以，依硬件设计阶段的不同，重用的IP核也不同，故而有硬核、软核、固核之分。 ◆硬核(hard core)，专为版图阶段使用的IP核，以版图的形式提交。硬核是已经过性能、功耗、几何尺寸的优化，并映射为指定的工艺和通过实际流片验证的核。使用时，只要符合整体IC工艺，满足本核物理限制的核就可使用。它的使用最为简单，但损失了灵活性。 ◆软核(soft core)，专为RTL阶段重用的IP核。它以综台之后的RTL级的描述形式提交，或以通用库元素的网表形式提交。此类重用IP核只是通过了性能和时序的验证，其它的实现内容及相关的测试验证等事项均留待使用者来完成。因为后续的布局布线、功耗、几何尺寸，优化、工艺映射等等尚未进行，故用户有最大的灵活性。 ◆固核(firm core)，因所使用的设计阶段介于软核及硬核之间，故其IP核叫做固核。它是以综合后的代码或是通用库网表的形式提交的。因只在布局规划的层面上对性能和几何尺寸等进行过结构性的或拓扑意义的优化和初步做过了多种工艺的映射，因而用户的灵活性介于硬、软核之间。选购何种IP核为佳?若着眼于可被重用的频度、可向其它工艺移植的可能、重用的灵活等方面来说，则以软核最好、固核其次、硬核最差；若着眼于保证满足要求的性能和规范、有较短的上市时间、自己付出劳动尽量地少又并不在乎高价，则正好是倒过来，即硬核最好、固核其次、软核最差。 (3)SoC的一般构成从大处来分，SoC含有： ◆逻辑核一包括CPU、时钟电路、定时器、中断控制器、串并行接口、其它外围设备、I／O端口以及用于各种IP核之间的粘合逻辑等等； ◆存储器核一包括各种易失、非易失以及Cache等存储器； ◆模拟核——包括ADc、DAc、PLL以及一些高速电路中所用的模拟电路。(如数据传输率1．6Gbps@800MHz RDRAM的低摆幅信号传输部分、为传输彩色视频信号速率达到1Gbps的l394/1394.B串行总线物理层以及为克服I／O端口瓶颈而采用的Hyper_LVDs高速缓冲的PCI总线等。) (4)SoC开发的两大问题开发设计重用IP核为基础的SoC，存在设计和测试两方面的难题。传统的设计方法、测试开发等工具及其资源，依然是开发SoC产品时的起步的参考。但是又必须与时俱进，必须充分考虑设计重用引发的诸多方法学、黑箱测试与验证，以及深亚微米技术出现的天线效应、信号流失等的特殊问题。硬／软件协同设计的新理论、协同设计新工具、硬软固核的开发原则与提交规范、核库的建设、可测性设计、可验证性设计以及方便前述各项实施的新型EDA、高级设计验证综合平台的完善等。1997年伊始，VSlA(虛拟插座接口联盟)、Si2(硅片集成创始者刊物)、RAIPD网站(可重用专用IP开发者网站)等刊物以及散见于其它杂志的先驱们都发表过许多原创性的概念和规范文本，奠定了基于重用核SoC的基础。目前SoC方面的论文书籍与曰俱增， SoC产品不断涌现，但是真正达到各个公司之间的共享知识产权，决非一蹴而就的事。 SoC的根本难点在于产品上市时间要求十分苛刻和生产上的一步到位的直接流片工艺，其次，它所要求的技术又都特別前沿。只因逼上梁山，非用一块块复杂IP堆起来不足以满足要求。眼下最好的例子就是手机一越是高档的，其内部越是只有一片技术含量更高的SoC。 2 IC业的第二次重组早期，IC业一直是少数IDM(集成器件制造厂)垄断的行业。IDM从接受订单、器件的设计，到IC的加工等等都是独家封闭地完成的，如Intel、Motorola、IBM等公司。随着PC机的普及和技术的发展，IDM自己独立地扩充或靳建生产线，不仅耗贸巨大而且时间上也来不及，外包生产便是顺理成章的事。这就是20世纪80年代末期，第一次IC业重组的动因。这次重组的特点是生产环节的外包。为此，竟然造就了一批新兴的专门从事生产晶园及加工器件的独立产业，叫做Foundy(代工厂)。IDM将加工外包之后，剩下来的设计部门及器件销售部门等等就泛称为Fabless，实际应是FablessIDM。它无对应的合适中文名。 20世纪90年代末，进入IP核为基础的SoC时代，设计部门因技术复杂，任务又重，便又进一步重组，留下系统设计部分而将IP核的设计部分实行外包。可以预断又将造就一批新兴的IP设计眼务产业。进一步外包后的IDM所剩下的部分便叫做Chipless，实际应是ChiplessIDM。它也无对应的合适中文名。专门从事IP核设计的独立产业，在20世纪80年代末实际已经出现，20世纪90年代初已然成长。它是专利授权公司，擅长MPU设计的ARM公司独执本行业的牛首。有的专家预计，随着嵌入式产品竞爭的进一步加剧，产品更新以季度为周期．促使IDM们会进一步把剩下来的系统设计部门也狠心外包出去，自己则新成立一个产品创意部门，依赖原有实力，专门构想实用新型和另类应用产品，蜕化为概念设计部门。这时的IDM，剩下的只是靠无形资产和吸纳订单的部门了，可名之为Dcsignless IDM。它也无对应的中文名，如要硬套，便是皮包公司(非贬义)最恰如其分了。再次的外包，造就的将是一批独立的SoC集成服务公司。 3 PSoC捷足先登晶体管的发明开创了IC产业。使用不同功能的IC，可构成硬逻辑的专用型产品。如早期的计算器、早期的投币售货机和早期的键盘等。只因追求产品的灵活性，才发明了当今运行软件程序的微处理器为基础的计算器。如果再把软件固化，整体产品再转回到纯粹的硬逻辑电路，便是所谓ASIC(专用集成电路)的专用型产品。有正必有反，与ASIC相对抗的是另一大类的硬件一可编程逻辑器件PLD。现在所使用的PLD有两个子类：CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑阵列)。20世纪90年代末期提倡的SoC算是第三代的专用型产品。21世纪初，出现的PSoC则是第三代的通用型产品。现归纳一下上述不同时期IC芯片的特征：硬逻辑产品一一第一代专用，软件不可编程，硬件不可配置； MPU(计算机产品)一第一代通用，软件可编程，硬件不可配置： AslC（硬逻辑产品）一一第二代专用，软件不可编程，硬件不可配置； PLD（硬逻辑产品）一一第二代通用，软件不可编程硬件可配置； SoC（计算机产品）一第三代专用，软件可编程，硬件不可配置； PSoC（计算机产品）一第三代通用，软件可编程，硬件可配置。 PSoC是硬件可配置的SoC。因SoC本是软件可编程的，所以，PSoC的用户可获得软、硬两个方面的编程灵活性。 PSoC一般是在FPGA硅片上，嵌入MCUIP核的SoC,2000年，Altera生产了首例嵌入32位ARM IP核的Excalibur PSoC。接着又生产出32／16位Nios MPU软核的StratixPSoC。Xilinx生产的是32位PowerPC MPU核的Virtex IIPSoC 其它PLD制造商也都纷纷在自己的FPGA上嵌入了不同位数的MPU／MCU一般PSoC生产厂都提供一块装有PSoC的开发评估板,为用户备好硬件软件同步开发的良好环境，帮助目标产品的开发及提前上市。这些PLD制造商都提供现成的硬件编程工具和丰富的逻辑元件库供用户使用。使用PSoC开发SoC产品比直接开发SoC产品有如下优点： ①用设计重用IP核开发SoC的方法尚处建设阶段，而PSoC方法已经现实可用。 ②PSoC著名厂商多具20多年坚实功底，其硬件编程的各种工具和兼顾第三方的功能库都已精良完善。基于查表算法的FPGA已经达到单片上构建多核DSP或多个DSP处理器的水平，可以满足当前通信、音视频和图像应用的需要。 ③PSoC绕开了SoC方法虚拟插口的困扰、IP的黑箱认证的困难，同时也避免了SoC的IC设计和流片过程占用的时间。 ④大幅度地缩短上市时间。 ⑤经济实惠。不足之处： ①PSoC芯片上的资源不免会比SoC有所浪费。 ②片上处理器受限于生产厂家的设定，缺乏选择的灵活性。 4 老草开新花前面介绍的是32位MPU的PSoC，服务于当前热门的高端嵌入式消费类应用。现在看8位MCU的PSoC,适于低端嵌入式控制应用。 8位MCU PSoC的现状归纳如下： ①MCU-51核的居多，有ST公司的μPSD32xx、Cyprcss的CY8C264xx和CY8C266xx、Triscend的E5。 Sygnal的C8051Fxxx不属于PSoC。 ②非MCS-5l核的PSoC只发现一家。它是Atmel公司的8位RISCAVR核MCUPPSoC，AT94K40。它们各自都提供配置硬件的软件工具，有的还是免费的。下面选ST公司的μPSD32xx来说明一下PSoC：的结构。选它的理由是： ①MES-51核是MCU的事实标准，应用最广，其原理和开发已为广大工程界所熟知；仅需学习它的硬件编程部分和配置硬件；它的硬件编程工具是免费。 ②硬件编程的PLD部分是过去大家熟知的WSI公司的技术，即当初专门与MCU／MPU配套的可编程外围芯片。因WSI公司现被ST收购，专门在其上嵌入5l核构成PSoC。片上沉淀着WSI 20多年实践经验。图l是μPSD32xx的简图。

①图1分为两大部分，硬件固定部分和硬件可配置部分。 ②硬件固定部分有两块：MCU核和MCU的扩展。硬件可配置部分有四块：存储器块、DPLD、CPLD、PPLD。 ③MCU核是8032核。 ④MCU扩展块有：2个I2C核、第二个UART、5通道PWM、USB、复位／监控／看门狗等，补充8052核的不足。众所周知，8051已有20多年的历史，是最老的MCU，目前有数十个厂家在更新和继续生产。更新集中在六个方面，详情请见文献。 ⑤存储器块包括：1一Flash 256KB、2-Flash 32KB、带备用电池SRAM 8KB。每块存储器的任意部分都可通过DPLD为它们配置片选信号。配置每一存储块到数据或程序空间、外部或内部空间。运行中间可以动态地改变所在的存储空间。在页寄存器的帮助下，DPLD可以突破原来64KB寻址空间的限制，而一直扩大到16MB，满足现今对大存储的需要。 ⑥DPLD是地址解码PLD，专门用于配置片选信号，如上所述。 ⑦CPLD是复杂PLD，因为具有宏单元，专为配置额外的I／O端口之用。 ⑧PPlD是外设CPLD，也具有宏单元，用于配置其它需要的逻辑部件，这部分可以与前项的CPLD合并使用。 ⑨硬件的配置通过JTAG接口实现。无需另外的烧写器。Flash的烧写也同样。 ⑩使用独立的1-Flash、2-Flash实现动态的IAP。更新软件不必停止当前程序运行。 ⑾合理地配置存储器的分页，能实现比一般方法简单得多的跨页超大程序的运行。　　　 ⑿免费提供不用HDL，语言的μPSDSofl Express软件。用它完成硬件配置，简单易学。 5 如何最快地挖到SoC的第一桶金 (1)SoC高层次挖金方案由l、2部分知，进入SoC领域挖金需要有计算机和微电子行业较广的知识和深入的专业技术。容易挖到金的地方如下： ◆Foundy(代工厂)是专fq负责晶园到IC的加工厂，不负责IC的电子电路设计。Foundy适台单纯资金优势的投资者经营。它的投资额度较大，IDM自己多不愿重金投入初始吃不饱的生产线，正好是专门承揽加工业务的Foundy发展的良机。投资瞄准的方向应是前途看好的、最先进的生产线。 ◆IP设计服务产业和SoC集成服务公司都是纯技术性投入的新兴产业。它立足于自己开发，投资不需很大。对于技术水平勉强并无真实的感悟者，恐怕不能冒然进入这样的行业。尤其是关于IP核和SoC尚无公认的标准，风险很大，目前，还有捷足先登的基于FPGA的32位PSoC的竞争。 (2)32位PSoC层次挖金方案开辟基于FPGA PSoC的设计服务产业，是当前比较稳健而又现实的业务。现在，立即就可以开发产品；将来，在穷尽PSoC片上FPGA资源时，也许就会裂变，走出另一条通向SoC的捷径也说不定。这是一条适合高中级技术人才发展的丘陵之地。 (3)8位PSoC层次挖金方案嵌入8位MCU PSoC产品的开发是一般技术人员都可走出的一条最容易的挖金坦途。8位MCU极容易上手，于是手上就握有一把软件编程的剑；PsoC叉教会掌握另一把硬件可编程的剑。如果所选PSoC嵌入的是核，只需磨快硬件可编程的剑，学习难度一下子就减少了一半。前面已经讲过，MCS-5l与PLD的结合，能轻松地突破64KB存储界限，能轻松取得灵活的动态存储管理，能获得动态IAP等独到的长处等等。故，从8位PSOC切入硬件可编程的门槛，对谁都是最简单的进取之路。掌握之后，再换用32位PSoC，展现眼前的又将是新的一马平川。要使用MCS-51核PSoC去更新老的MCS-5l产品，任何人都有条件轻松挖到第一桶金。祝君成功! [!--empirenews.page--]