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    SOC與單片機應用技術的發展

    2006-04-17 嵌入式聯盟

          摘要:本文討論SOC和單片機應用技術的發展;介紹SOC的基本技術特點和應用概念;分析作為IP家庭重要成員的單片機在SOC應用設計中的特點。通過討論指出以嵌入技術為基礎,單片機再次成為現代電子應用技術的核心之一,為SOC應用技術提供了堅實的基礎。
    關鍵字:SOC;單片機;嵌入式系統 
      引言
      現場電子技術應用中包含了硬件(HW)、硬件加軟件(HW+SW)、固件(FW)3個層次。這3個層次也可以說是現代電子技術應用的3人發展階段。自1997年以來,電子技術應用又增加了一個新的層次??片上系統(SOC)層次。SOC技術概念和應用技術層次的出現,標志著現代電子技術應用進入了SOC階段。
      從各個發展階段看,自HW+SW階段開始,電子技術應用就與單片機緊密地聯系在一起。在FW階段,作為固件系統的重要核心技術,單片機又以嵌入式技術為基礎,再次成為現代電子應用技術的核心技術之一,并為SOC應用技術提供了緊實的基礎。
      SOC為各種應用提供了一個新的實現技術。這種新的電子系統實現技術促使工業界在近3年中發生了巨大的變化,為信息技術的應用提供堅實的基礎,因此,完全可以稱之為SOC革命。同時,SOC也為單片機技術提供了更廣闊的應用領域,使單片機應用技術發生了革命性的變化。
      本文根據幾年來對SOC技術和單片機應用技術發展的研究,對SOC的基本技術概念以及單片機與SOC技術的關系進行了討論,指出了SOC中單片機嵌入式應用的技術特點。
      一、SOC技術與應用概念
      所謂SOC技術,是一種高度集成化、固件化的系統集成技術。使用SOC技術設計系統的核心思想,就是要把整個應用電子系統全部集成在一個芯片中。在使用SOC技術設計應用系統,除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外,其他所有的系統電路全部集成在一起。
      1.系統功能集成是SOC的核心技術
      在傳統的應用電子系統設計中,須要根據設計要求的功能模塊對整個系統進行綜合,即根據設計要求的功能,尋找相應的集成電路,再根據設計要求的技術指標設計所選電路的連接形式和參數。這種設計的結果是一個以功能集成電路為基礎,器件分布式的應用電子系統結構。設計結果能否滿足設計要求不僅取決于電路芯片的技術參數,而且與整個系統PCB版圖的電磁兼容特性有關。同時, 對于須要實現數字化的系統,往往還須要有單片機等參與,所以,還必須考慮分布式系統對電路固件特性的影響。很明顯,傳統應用電子系統的實現,采用的是分布功能綜合技術。
      對于SOC來說,應用電子系統的設計也是根據功能和參數要求設計系統,但與傳統方法有著本質的差別。SOC不是以功能電路為基礎的分布式系統綜合技術。而是以功能IP為基礎的系統固件和電路綜合技術。首先,功能的實現不再針對功能電路進行綜合,而是針對系統整體固件實現進行電路綜合,也就是利用IP技術對系統整體進行電路結合。其次,電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關,而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關。因此,使設計結果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說,就是所設計的結果十分接近理想設計目標。
      2.固件集成是SOC的基礎設計思想
      在傳統分布式綜合設計技術中,系統的固件特性往往難以達到最優,原因是所使用的是分布式功能綜合技術。一般情況下,功能集成電路為了滿足盡可能多的使用面,必須考慮兩個設計目標:一個是能滿足多種應用領域的功能控制要求目標;另一個是要考慮滿足較大范圍應用功能和技術指標。因此,功能集成電路(也就是定制式集成電路)必須在I/O和控制方面附加若干電路,以使一般用戶能得到盡可能多的開發性能。但是,定制式電路設計的應用電子系統不易達到最佳,特別是固件特性更是具有相當大的分散性。
      對于SOC來說,從SOC的核心技術可以看出,使用SOC技術設計應用電子系統的基本設計思想就是實現全系統的固件集成。用戶只須根據需要選擇并改進各部分模塊和嵌入結構,就能實現充分優化的固件特性,而不必花時間熟悉定制電路的開發技術。固件基礎的突發優點就是系統能更接近理想系統,更容易實現設計要求。
      3.嵌入式系統是SOC的基本結構
      在使用SOC技術設計的應用電子系統中,可以十分方便地實現嵌入式結構。各種嵌入結構的實現十分簡單,只要根據系統需要選擇相應的內核,再根據設計要求選擇之相配合的IP模塊,就可以完成整個系統硬件結構。尤其是采用智能化電路綜合技術時,可以更充分地實現整個系統的固件特性,使系統更加接近理想設計要求。必須指出,SOC的這種嵌入式結構可以大大地縮短應用系統設計開發周期。
      4.IP是SOC的設計基礎
      傳統應用電子設計工程師面對的是各種定制式集成電路,而使用SOC技術的電子系統設計工程師所面對的是一個巨大的IP庫,所有設計工作都是以IP模塊為基礎。SOC技術使應用電子系統設計工程師變成了一個面向應用的電子器件設計工程師。由此可見,SOC是以IP模塊為基礎的設計技術,IP是SOC應用的基礎。
      5.SOC技術中的不同階段
      用SOC技術設計應用電子系統的幾個階段如圖1所示。在功能設計階段,設計者必須充分考慮系統的固件特性,并利用固件特性進行綜合功能設計。當功能設計完成后,就可以進入IP綜合階段。IP綜合階段的任務利用強大的IP庫實現系統的功能I。P結合結束后,首先進行功能仿真,以檢查是否實現了系統的設計功能要求。功能仿真通過后,就是電路仿真,目的是檢查IP模塊組成的電路能否實現設計功能并達到相應的設計技術指標。設計的最后階段是對制造好的SOC產品進行相應的測試,以便調整各種技術參數,確定應用參數。
      二、SOC的應用概念
      現代科學技術應用的重要特點之一,就是技術多樣性、智能多變性和面向對象的系統設計性。所謂技術多樣性,就是實現同一個應用電子系統可以有許多不同的設計方案供選擇;而不同的設計方案就意味著必須使用不同的設計和生產技術。所謂知識多變性,是指在現代電子技術應用系統中,實現系統目標的基礎理論和方法隨著新知識的出現不斷地在變化。這種變化不僅使應用電子系統技術指標發生變化,甚至改變了系統的整體結構。
      隨著現代信息和電子技術應用領域的不斷拓寬,越來越多的應用領域提出了各種特殊要求。例如,航空航天領域要求的小體積大系統,信息應用領域提出的個性化等要求,都使得一般固件技術難以勝任。特別是在民用領域,重視個性化的產品設計概念使應用電子產品的更新速度極快,而且小批量多品種的要求也越來越高。這就是提出了小批量產品與成本、集成化與成本、產品研制周期與成本等一系列的問題。
      SOC正是成為滿足現代科學和工程技術發展的要求而產生的現代應用電子技術。傳統的觀念認為,只有大批量的產品才有集成的可能,才具有價格競爭優勢。因此,到目前為止,大多數小批量產品,特別是研究性質的應用電子系統,一般都采用HW,HW+SW或FW技術實現。但隨著SOC的出現、發展和成熟,這種現狀已經發生極大的變化。SOC為現代電子工程師提供了一個快捷經濟的系統設計方法,使那么傳統觀念上認為高性能、高復雜度、高成本的嵌入式結構,能夠通過低成本的單片芯片實現。
      1.SOC的設計觀念
      SOC的設計觀念與傳統設計觀念完全不同。在SOC設計中,設計者面對的不再是電路芯片;而是能實現設計功能的IP模塊庫。設計者不必要在眾多的模塊電路中搜索所須要的電路芯片,只需要根據設計功能和固件特性,選擇相應的IP模塊。這種電路的設計技術和綜合方法,基本上消除了器件信息障礙,因為每一個應用設計都是一個專用的集成系統,都是一個專用的集成電路。換句話說,SOC的設計觀念是“設計自己的專用集成電路”。從某種意義上講,就是把用戶變成了集成電路制造商。 
      2.高效便利的設計工具
      由于IP是SOC的基礎,所以,必須采用相應的EDA軟件才能完成設計技術。如果沒有高效便利的設計工具,SOC設計就是一句空話。實際上,傳統應用電子系統設計工作對EDA和其他相應的設計軟件并沒很高的要求,只要求能提供相應的便利條件;而SOC設計則必須建立在EDA基礎之上。例如,使用SOC技術設計一個智能溫度控制系統,由于整個系統集成在一個芯片中,用戶就必須能對其中的CPU核、存儲器、A/D、模擬放大器等電路進行綜合仿真,顯然,必須要有一個高效便利的EDA工具才能完成這些工作。
      三、SOC技術中的單片機
      單片機現代電子技術應用中的主流技術,特別是在工業和民用的獨立電子系統中,單片機起著系統核心的作用。由于單片機系統特有的固件特性,使單片機在SOC技術中占有重要的地位。
      1.SOC中的單片機嵌入技術
      隨著電子技術的發展,特別是應用技術的飛速發展,單片機應用系統已經形成了常用的、獨特的嵌入式結構。如不同系列的單片機,都是通過嵌入不同的CPU和其他輔助電路而形成的。目前,單片機已經成為CPU和其他輔助電路而形成的。目前,單片機已經成為IP庫中的重要成員,而其嵌入式結構正是SOC的一種重要實現技術和方法。
      用SOC設計單片機系統嵌入式結構,為設計者提供了現有技術所無法比擬的優越條件。設計者必在選擇單片機的型號上下功夫;只須要根據所設計系統的固件特性和功能要求,選擇相應的單片機CPU內核,再根據需要選擇其他的IP模塊,就可以實現完整的系統。從某種意義上看,SOC為單片機應用提供了更廣闊的應用技術,并賦予了單片機更強大的生命力。試想,如果整個SOC目標系統的核心是一個單片機CPU,那么,這個系統設計成功之后就不僅是真正意義上的單片機,而且還實現了真正的系統單片機。這正是單片機強大生命力的根源。
      2.SOC中單片機系統優化
      目前在單片機應用中,有相當一部分實際上并不能叫做單片機。因為許多應用中需要形成單片機的外部系統總線。因此,單片機資源的充分利用和避免形成外部總線,往往是單片機應用設計的主要追求目標。換句話說,優化問題是單片機應用中的一個重要問題。
      例如,設計一個具有多個傳感器的測試系統,往往須要根據單片機的特點設計相應的外部總線,應用系統由此而龐大。采用SOC技術后,系統不再需要外部總線,所選用單片機中不需要的資源也可以去除掉,只保留所需要的CPU等功能模塊。這兩種設計方法的方框圖如圖2所示。
      從圖2中可以看出,設計人員不必為如何最大限度地利用單片機資源而發愁,可以根據自己的需要選擇所需的電路,并與所熟悉單片機的CPU內核相結合。同時還把現有技術需要精密調整的前置電路(模擬信號處理部分)也全部安放在一塊芯片中,從而避免了大量的PCB板調試工作。從“單片機必須實現系統單片化”的角度看,這種系統正是用戶自己設計的專用單片機系統,而且是一個能實現全部系統功能的優化系統。這種系統的調試、測試方法與傳統的單片機系統完全不同,已經成為一個能處理模塊-數字混合信號的全新系統。因此,SOC技術使單片機應用系統實現了更高層次上的集成。
      概括地說,SOC使單片機應用技術發生了革命性的變化,這個變化就是應用電子系統的設計技術,從選擇廠家提供的定制產品時代進入了用戶自行開發設計器件的時代。這標志著單片機應用的歷史性變化,一個全新的單片機應用時代已經到來。
      結束語
      SOC成為新一代應用電子技術的核心已經成為不爭的事實,這不僅是電子技術本身的革命性標志,也是電子技術應用的重大歷史變化。SOC并不是憑空產生的;而是幾十年應用技術積累和電子技術發展的必然結果,IP是SOC的基礎就是有利的證明。
      作為IP家庭中的一個重要分支,單片機應用也從定制系統應用技術發展成為SOC嵌入式應用技術。這對單片機應用工程師來說,不僅是用戶技術發生了重大變化,更主要的是應用工程師面臨著新的挑戰。同時,SOC也向單片機應用技術展示了更為廣闊的發展前景。


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