嵌入式處理器--片上系統(tǒng)SoC嵌入式處理器--片上系統(tǒng)SoCIT業(yè)的重要組成通信—神經(jīng)軟件—靈魂芯片—心臟2IT業(yè)的重要組成通信—神經(jīng)2摩爾定律的偉大經(jīng)濟(jì)意義每過18個月，IC中晶體管的集成度增加一倍。微米時代：３μｍ->２

μｍ->1.2μｍ亞微米時代：0.8μｍ->0.5μｍ深亞微米時代：0.35μｍ->0.25μｍ->0.18μｍ->0.13μｍ納米時代：0.09μｍ(90nm)->60nm->45nm->30nm3摩爾定律的偉大經(jīng)濟(jì)意義每過18個月，IC中晶體管的集成度增加對學(xué)科的認(rèn)識4學(xué)科：微電子學(xué)工業(yè)原料：半導(dǎo)體產(chǎn)品形式：集成電路對學(xué)科的認(rèn)識4學(xué)科：微電子學(xué)工業(yè)原料：半導(dǎo)體產(chǎn)品形式：集成電集成電路產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)系到國家安全、國防安全、信息安全集成電路是現(xiàn)代軍事系統(tǒng)和武器裝備的核心軍用微電子技術(shù)是“打贏一場現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭”的重要技術(shù)保證。5集成電路產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)系到國家安全、國防安全集成電路產(chǎn)業(yè)是帶動性產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每1元集成電路產(chǎn)值能帶動10元左右電子信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，進(jìn)而帶動100元左右的GDP增長。集成電路產(chǎn)生的發(fā)展規(guī)模和技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。6集成電路產(chǎn)業(yè)是帶動性產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每1元集成電微電子產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)性微電子是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光電子、生物工程等21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域均與微電子技術(shù)密切相關(guān)。核心性微電子是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字音頻技術(shù)的重要載體，是信息處理、信息管理、信息安全的平臺。廣泛性微電子產(chǎn)品應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，如汽車行業(yè)增值部分的70%來源于微電子。7微電子產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)性7各國對微電子產(chǎn)業(yè)的高度重視美國對微電子產(chǎn)業(yè)高度重視，1985年美國國防部采取政府行動，委托半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會成立了半導(dǎo)體制造技術(shù)產(chǎn)生聯(lián)盟，確保其在世界半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。日本為了趕超世界水平，曾由政府組織過產(chǎn)管學(xué)體制，從而使日本半導(dǎo)體制造技術(shù)和制造設(shè)備一度稱霸全球。2001年以來，日本政府牽頭組織了類似組織，實(shí)施MARIA計(jì)劃，企圖重新奪回霸權(quán)地位。韓國半導(dǎo)體產(chǎn)生靠出口起家，技術(shù)上以跨越求發(fā)展，生產(chǎn)上以出口為突破口，目前已經(jīng)成為世界半導(dǎo)體第三大生產(chǎn)國。臺灣微電子產(chǎn)業(yè)于２０世紀(jì)７０年代中期由芯片封裝業(yè)作為切入點(diǎn)，以引進(jìn)技術(shù)發(fā)展芯片制造業(yè)并進(jìn)行自主開發(fā)開始起步，成功的走出了一條以標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線（ＦＯＵＮＤＲＹ）加工為主體，以設(shè)計(jì)和封裝為兩翼，以出口為導(dǎo)向的微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。8各國對微電子產(chǎn)業(yè)的高度重視美國對微電子產(chǎn)業(yè)高度重視，1985我國目前IC產(chǎn)業(yè)存在的問題自主創(chuàng)新能力弱由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)，尤其是核心芯片絕大部分依靠進(jìn)口，自主創(chuàng)新能力弱專用設(shè)備、儀器和材料發(fā)展滯后我國微電子所用的專用設(shè)備、儀器和材料方面，和西方發(fā)達(dá)國家相比差距很大，8英寸以上的設(shè)備和材料幾乎全部進(jìn)口，因此，我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，大企業(yè)少2005年我國前十名的微電子設(shè)計(jì)企業(yè)銷售收入總額為51.6億，相當(dāng)于世界排名第一位的美國高通公司35億美元的18%，不及第10名AlterationCorporate的11億美元，因而我國微電子產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，大企業(yè)少供需缺口繼續(xù)擴(kuò)大預(yù)計(jì)到“十一五”末期，每年微電子進(jìn)口將達(dá)到1100億塊，900億美元左右。我國微電子的產(chǎn)量只能滿足市場需求的30%人才缺乏高級管理人才、學(xué)術(shù)帶頭人和復(fù)合人才的缺少，仍將繼續(xù)制約我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是影響產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的重要因素。9我國目前IC產(chǎn)業(yè)存在的問題自主創(chuàng)新能力弱9SoC技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用SoC（SystemsonChip片上系統(tǒng)）技術(shù)的工作開始于20世紀(jì)90年代，雖然對SoC至今尚無非常明確的定義，但一般認(rèn)為采用深亞微米（DSM）工藝技術(shù)，IP核的復(fù)用和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是SoC的三大技術(shù)特征。10SoC技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用SoC（SystemsonChipSoC三大技術(shù)特征Soc還沒有一個公認(rèn)的準(zhǔn)確定義，但有三大技術(shù)特征：采用深亞微米（DSM）工藝技術(shù)，IP核（IntellectualPropertyCore）復(fù)用以及軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。SoC的開發(fā)是從整個系統(tǒng)的功能和性能出發(fā)，利用IP復(fù)用和深亞微米技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，綜合考慮軟硬件資源的使用成本，設(shè)計(jì)出滿足性能要求的高效率、低成本的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，從而在一個芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，并考慮其可編程特性和縮短上市時間。使用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)的芯片，一般有一個或多個微處理器芯片和數(shù)個功能模塊。各個功能模塊在微處理器的協(xié)調(diào)下，共同完成芯片的系統(tǒng)功能，11SoC三大技術(shù)特征Soc還沒有一個公認(rèn)的準(zhǔn)確定義，但有三大技SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因首先，是微電子加工技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使得在單個芯片上制作電子系統(tǒng)所需要的幾乎所有元件有了可能。其次，幾十年來集成電路的設(shè)計(jì)能力的增長滯后于工藝技術(shù)的發(fā)展，在深亞微米（DSM）階段變的更加突出，因而SoC設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。第三，電子系統(tǒng)發(fā)展的需要，利用SoC可以大大減少所使用的元件數(shù)量，提高產(chǎn)品性能，降低能耗，縮小體積，降低成本，或者說在相同的工藝技術(shù)條件下，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能指標(biāo)。12SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因首先，是微電子加工技術(shù)的發(fā)SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因按照1999年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展指南（ITRS1999），目前組成SoC的模塊單元可以包括微處理器核，嵌入式SRAM、DRAM和FLASH以及某些特定的邏輯單元。ITRS1999認(rèn)為，開發(fā)SoC的根本目標(biāo)是提高性能和降低成本SoC開發(fā)的另一個重要的考慮是他的可編程特性（通過軟件、fpga.flash或其它手段來實(shí)現(xiàn)）13SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因按照1999年國際半導(dǎo)體技IP核是SoC的建造基礎(chǔ)今天所稱的IP（IntellectualProperty）是指那些較高集成度并具有完整功能的單元模塊，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模塊。IP模塊的再利用，除了可以縮短SoC芯片的設(shè)計(jì)時間外，還能大降低設(shè)計(jì)和制造的成本，提高可靠性。14IP核是SoC的建造基礎(chǔ)今天所稱的IP（IntellectuIP核的三種類型15序號類別存在形式特點(diǎn)1軟核HDL語言形式HDL語言描述

，靈活度高，可修改

，與工藝獨(dú)立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；

IP很難保護(hù)，

必須在目標(biāo)工藝中實(shí)現(xiàn)，并由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者驗(yàn)證，優(yōu)點(diǎn)是源代碼靈活，可重定目標(biāo)于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。2固核網(wǎng)表形式邏輯綜合后的描述

，與工藝相關(guān)，由于內(nèi)核是預(yù)先設(shè)計(jì)的代碼模塊，因此這有可能影響包含該內(nèi)核的整體設(shè)計(jì)。3硬核版圖形式。物理綜合后的描述

，準(zhǔn)備流片

，包含工藝相關(guān)的布局和時序信息

，IP很容易保護(hù)

，多數(shù)的處理器和存儲器確保性能：速度、功耗等難以轉(zhuǎn)移到新工藝或集成到新結(jié)構(gòu)中，是不可重配置的IP核的三種類型15序號類別存在形式特點(diǎn)1軟核HDL語言形式IP核的三種類型根據(jù)IP使用的劃分，IP建立者可按下列三種形式設(shè)計(jì)IP：可再用、可重定目標(biāo)以及可配置。可再用IP是著眼于按各種再使用標(biāo)準(zhǔn)定義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。可重定目標(biāo)IP是在充分高的抽象級上設(shè)計(jì)的,因而可以方便地在各種工藝與結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移。可配置IP是參數(shù)化后的可重定目標(biāo)IP，其優(yōu)點(diǎn)是可以對功能加以裁剪以符合特定的應(yīng)用。這些參數(shù)包括總線寬度、存儲器容量、使能或禁止功能塊。硬IP與軟IP的意圖不同，因而對IP的開發(fā)和在這之后的IP的集成采用不同的方法。16IP核的三種類型根據(jù)IP使用的劃分，IP建立者可按下列三種形IP核的三種類型1.軟核軟核是用VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，通常是以硬件描述語言HDL源文件的形式出現(xiàn)。IP的設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)投入少。由于不涉及物理實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)留有很大的發(fā)揮空間，增大了IP的靈活性和適應(yīng)性。其主要缺點(diǎn)是在一定程度上使后續(xù)工序無法適應(yīng)整體設(shè)計(jì)，從而需要一定程度的軟IP修正，在性能上也不可能獲得全面的優(yōu)化。由于軟核是以源代碼的形式提供，盡管源代碼可以采用加密方法，但其知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題不容忽視。17IP核的三種類型1.軟核17IP核的三種類型1.軟核軟IP是以綜合形式交付的，因而必須在目標(biāo)工藝中實(shí)現(xiàn),并由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者驗(yàn)證。其優(yōu)點(diǎn)是源代碼的靈活性，它可重定目標(biāo)于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。由于設(shè)計(jì)以高層次表示，因而軟IP是可再用的，易于重定目標(biāo)和重配置，然而預(yù)測軟IP的時序、面積與功率諸方面的性能較困難。為了實(shí)現(xiàn)最高效率的再使用并減少集成時間，IP應(yīng)從軟件源代碼開始;而為了確保性能，復(fù)雜IP應(yīng)以硬IP的形式共享。18IP核的三種類型1.軟核18IP核的三種類型2.固核固核則是軟核和硬核的折衷。大多數(shù)應(yīng)用于FPGA的IP內(nèi)核均為軟核，軟核有助于用戶調(diào)節(jié)參數(shù)并增強(qiáng)可復(fù)用性。軟核通常以加密形式提供，這樣實(shí)際的RTL對用戶是不可見的，但布局和布線靈活。在這些加密的軟核中，如果對內(nèi)核進(jìn)行了參數(shù)化，那么用戶就可通過頭文件或圖形用戶接口(GUI)方便地對參數(shù)進(jìn)行操作。19IP核的三種類型2.固核19IP核的三種類型2.固核對于那些對時序要求嚴(yán)格的內(nèi)核(如PCI接口內(nèi)核)，可預(yù)布線特定信號或分配特定的布線資源，以滿足時序要求。這些內(nèi)核可歸類為固核，由于內(nèi)核是預(yù)先設(shè)計(jì)的代碼模塊，因此這有可能影響包含該內(nèi)核的整體設(shè)計(jì)。由于內(nèi)核的建立(setup)、保持時間和握手信號都可能是固定的，因此其它電路的設(shè)計(jì)時都必須考慮與該內(nèi)核進(jìn)行正確地接口。如果內(nèi)核具有固定布局或部分固定的布局，那么這還將影響其它電路的布局。20IP核的三種類型2.固核20IP核的三種類型3.硬核硬IP對功率、體積和性能進(jìn)行了優(yōu)化，并映射至特定的工藝。具體實(shí)例包括已完成布局布線的網(wǎng)表，以特定工藝庫或全定制物理布圖，或兩者之組合。硬IP是特定工藝來實(shí)現(xiàn)的，通常用GDSII格式表示。21IP核的三種類型3.硬核21IP核的三種類型3.硬核硬IP可以再使用，且由于它已處于設(shè)計(jì)表示的最底層，因而最容易集成。硬IP已完全用目標(biāo)工藝實(shí)現(xiàn)，是按十分接近于標(biāo)準(zhǔn)單元庫元件的形式交付的，故而允許設(shè)計(jì)者將IP快速地集成在衍生產(chǎn)品中。硬IP最大的優(yōu)點(diǎn)是確保性能，如速度、功耗等。然而難以轉(zhuǎn)移到新工藝或集成到新結(jié)構(gòu)中，是不可重配置的。22IP核的三種類型3.硬核22滿足SoC的設(shè)計(jì)要求必須有四個特征從滿足SoC的設(shè)計(jì)要求來說，它必須有四個特征：1.必須是符合設(shè)計(jì)再利用的要求按嵌入式專門設(shè)計(jì)的；2.必須是經(jīng)多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到通常的“四最”（芯片面積最小，運(yùn)算速度最快、功耗最小，工藝容差最大）的目標(biāo)3.必須是允許許多國家公司在支付一定費(fèi)用后商業(yè)運(yùn)用的，而不是本公司內(nèi)部專用的。4.必須符合IP標(biāo)準(zhǔn)。1996年9月，世界35個著名公司組成一個國際性企業(yè)聯(lián)合組織即虛擬插座接口聯(lián)盟VSIA23滿足SoC的設(shè)計(jì)要求必須有四個特征從滿足SoC的設(shè)計(jì)要求來說片上系統(tǒng)的含義在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進(jìn)行通信的接口模塊、含有ADC/DAC的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，是一個具備特定功能、服務(wù)于特定市場的軟件和硅集成電路的混合體比如WLAN基帶芯片、便攜式多媒體芯片、DVD播放機(jī)解碼芯片等。24片上系統(tǒng)的含義在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)24印刷電路板、片上系統(tǒng)技術(shù)、可編程片上系統(tǒng)技術(shù)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，它是一種系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)技術(shù)利用各種通用集成電路IC（IntegratedCircuit）進(jìn)行印刷電路板PCB（PtintedCircuitBoard）板級的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使用ASIC（特定用途的集成電路器）為物理載體進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)稱為片上系統(tǒng)技術(shù)，即SoC；使用FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）作為物理載體進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)稱為可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，即SoPC（SystemonProgrammablechip）。SoC技術(shù)和SoPC技術(shù)都是系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)技術(shù)（統(tǒng)稱為廣義SoC）。ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）特定用途的集成電路器，如電視、音響、錄放機(jī)、攝影機(jī)等各種專用型訂做的IC即是25印刷電路板、片上系統(tǒng)技術(shù)、可編程片上系統(tǒng)技術(shù)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)主要的3個關(guān)鍵的支撐技術(shù)①軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

主要是面向不同目標(biāo)系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory）和設(shè)計(jì)空間搜索技術(shù)。

②IP模塊復(fù)用技術(shù)IP是指那些集成度較高并具有完整功能的單元模塊，如MPU、DSP、DRAM、Flash等模塊。③模塊以及模塊界面間的綜合分析和驗(yàn)證技術(shù)

綜合分析和驗(yàn)證是難點(diǎn)，要為硬件和軟件的協(xié)同描述、驗(yàn)證和綜合提供一個自動化的集成開發(fā)環(huán)境。26系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)主要的3個關(guān)鍵的支撐技術(shù)①軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢1.減少體積重量：數(shù)顆IC整合為一顆SoC后，可有效縮小電路板上占用的面積，達(dá)到重量輕、體積小的特色2.降低用電功耗：隨電子產(chǎn)品向小型化、便攜化發(fā)展，對其省電需求將大幅提升，由于SoC產(chǎn)品多采用內(nèi)部訊號的傳輸，可以大幅降低功耗。3.提高運(yùn)行速度：隨著芯片內(nèi)部信號傳遞距離的縮短，信號的傳輸效率將提升，而使產(chǎn)品性能有所提高。27SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢1.減少體積重量：27SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢4.豐富系統(tǒng)功能：

隨微電子技術(shù)的發(fā)展，在相同的內(nèi)部空間內(nèi)，SoC可整合更多的功能元件和組件，豐富系統(tǒng)功能。5.節(jié)省投入成本：

理論上，IP模塊的出現(xiàn)可以減少研發(fā)成本，降低研發(fā)時間，可適度節(jié)省成本。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，由于芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增強(qiáng)，也有可能導(dǎo)致測試成本增加，及生產(chǎn)成品率下降。雖然，使用基于IP模塊的設(shè)計(jì)方法可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時間28SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢4.豐富系統(tǒng)功能：28SoC在IP模塊的重用問題1.要將IP模塊集成到SoC中，要求設(shè)計(jì)者完全理解復(fù)雜IP模塊的功能、接口和電氣特性，如微處理器、存儲器控制器、總線仲裁器等。2.隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性的提高，要得到完全吻合的時序也越來越困難。即使每個IP模塊的布局是預(yù)先定義的，但把它們集成在一起仍會產(chǎn)生一些不可預(yù)見的問題，如噪聲，這些對系統(tǒng)的性能有很大的影響。IP模塊的標(biāo)準(zhǔn)化可以在一定程度上解決上述問題。過去，各個芯片設(shè)計(jì)公司、IP廠商和EDA公司以自己內(nèi)部的規(guī)范作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但隨著SoC設(shè)計(jì)的中心向用戶端的轉(zhuǎn)移，IP模塊的廣泛使用，以及越來越多EDA工具的出現(xiàn)，這些內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法適應(yīng)SoC設(shè)計(jì)的需要。29SoC在IP模塊的重用問題1.要將IP模塊集成到SoC中片上系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用從技術(shù)層面上看，以下幾個方面推動了SoC技術(shù)的發(fā)展：（1）計(jì)算機(jī)性能的大幅度提高，使很多復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn)，為嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。（2）微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高，已從亞微米（0.5到1微米）進(jìn)入到深亞微米（小于0.5微米），和超深亞微米（小于0.25微米）。其特點(diǎn)為：工藝特征尺寸越來越小、芯片尺寸越來越大、單片上的晶體管數(shù)越來越多、時鐘速度越來越快、電源電壓越來越低、布線層數(shù)越來越多、I/O引線越來越多。這使得將包括的微處理器、存儲器、DSP和各種接口集成到一塊芯片中成為可能。30片上系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用從技術(shù)層面上看，以下幾個方面推動了SoC片上系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用（3）EDA（ElectronicDesignAutomation）綜合開發(fā)工具的自動化和智能化程度不斷提高，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了不同用途和不同級別的一體化開發(fā)集成環(huán)境。（4）硬件描述語言HDL（HardwareDescriptionLanguage）的發(fā)展為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了建立各種硬件模型的工作媒介。目前，比較流行的HDL語言包括已成為IEEESTD1076標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、IEEESTD1364標(biāo)準(zhǔn)的VerilogHDL和Altera公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AHDL等。由于空前絕后的高效集成性能，片上系統(tǒng)是替代集成電路的主要解決方案。SoC已經(jīng)成為當(dāng)前微電子芯片發(fā)展的必然趨勢31片上系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用（3）EDA（ElectronicDe嵌入式處理器--片上系統(tǒng)SoC嵌入式處理器--片上系統(tǒng)SoCIT業(yè)的重要組成通信—神經(jīng)軟件—靈魂芯片—心臟33IT業(yè)的重要組成通信—神經(jīng)2摩爾定律的偉大經(jīng)濟(jì)意義每過18個月，IC中晶體管的集成度增加一倍。微米時代：３μｍ->２

μｍ->1.2μｍ亞微米時代：0.8μｍ->0.5μｍ深亞微米時代：0.35μｍ->0.25μｍ->0.18μｍ->0.13μｍ納米時代：0.09μｍ(90nm)->60nm->45nm->30nm34摩爾定律的偉大經(jīng)濟(jì)意義每過18個月，IC中晶體管的集成度增加對學(xué)科的認(rèn)識35學(xué)科：微電子學(xué)工業(yè)原料：半導(dǎo)體產(chǎn)品形式：集成電路對學(xué)科的認(rèn)識4學(xué)科：微電子學(xué)工業(yè)原料：半導(dǎo)體產(chǎn)品形式：集成電集成電路產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)系到國家安全、國防安全、信息安全集成電路是現(xiàn)代軍事系統(tǒng)和武器裝備的核心軍用微電子技術(shù)是“打贏一場現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭”的重要技術(shù)保證。36集成電路產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)系到國家安全、國防安全集成電路產(chǎn)業(yè)是帶動性產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每1元集成電路產(chǎn)值能帶動10元左右電子信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，進(jìn)而帶動100元左右的GDP增長。集成電路產(chǎn)生的發(fā)展規(guī)模和技術(shù)水平已成為衡量一個國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。37集成電路產(chǎn)業(yè)是帶動性產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每1元集成電微電子產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)性微電子是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光電子、生物工程等21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域均與微電子技術(shù)密切相關(guān)。核心性微電子是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字音頻技術(shù)的重要載體，是信息處理、信息管理、信息安全的平臺。廣泛性微電子產(chǎn)品應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，如汽車行業(yè)增值部分的70%來源于微電子。38微電子產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)性7各國對微電子產(chǎn)業(yè)的高度重視美國對微電子產(chǎn)業(yè)高度重視，1985年美國國防部采取政府行動，委托半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會成立了半導(dǎo)體制造技術(shù)產(chǎn)生聯(lián)盟，確保其在世界半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。日本為了趕超世界水平，曾由政府組織過產(chǎn)管學(xué)體制，從而使日本半導(dǎo)體制造技術(shù)和制造設(shè)備一度稱霸全球。2001年以來，日本政府牽頭組織了類似組織，實(shí)施MARIA計(jì)劃，企圖重新奪回霸權(quán)地位。韓國半導(dǎo)體產(chǎn)生靠出口起家，技術(shù)上以跨越求發(fā)展，生產(chǎn)上以出口為突破口，目前已經(jīng)成為世界半導(dǎo)體第三大生產(chǎn)國。臺灣微電子產(chǎn)業(yè)于２０世紀(jì)７０年代中期由芯片封裝業(yè)作為切入點(diǎn)，以引進(jìn)技術(shù)發(fā)展芯片制造業(yè)并進(jìn)行自主開發(fā)開始起步，成功的走出了一條以標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線（ＦＯＵＮＤＲＹ）加工為主體，以設(shè)計(jì)和封裝為兩翼，以出口為導(dǎo)向的微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。39各國對微電子產(chǎn)業(yè)的高度重視美國對微電子產(chǎn)業(yè)高度重視，1985我國目前IC產(chǎn)業(yè)存在的問題自主創(chuàng)新能力弱由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)，尤其是核心芯片絕大部分依靠進(jìn)口，自主創(chuàng)新能力弱專用設(shè)備、儀器和材料發(fā)展滯后我國微電子所用的專用設(shè)備、儀器和材料方面，和西方發(fā)達(dá)國家相比差距很大，8英寸以上的設(shè)備和材料幾乎全部進(jìn)口，因此，我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，大企業(yè)少2005年我國前十名的微電子設(shè)計(jì)企業(yè)銷售收入總額為51.6億，相當(dāng)于世界排名第一位的美國高通公司35億美元的18%，不及第10名AlterationCorporate的11億美元，因而我國微電子產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，大企業(yè)少供需缺口繼續(xù)擴(kuò)大預(yù)計(jì)到“十一五”末期，每年微電子進(jìn)口將達(dá)到1100億塊，900億美元左右。我國微電子的產(chǎn)量只能滿足市場需求的30%人才缺乏高級管理人才、學(xué)術(shù)帶頭人和復(fù)合人才的缺少，仍將繼續(xù)制約我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是影響產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的重要因素。40我國目前IC產(chǎn)業(yè)存在的問題自主創(chuàng)新能力弱9SoC技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用SoC（SystemsonChip片上系統(tǒng)）技術(shù)的工作開始于20世紀(jì)90年代，雖然對SoC至今尚無非常明確的定義，但一般認(rèn)為采用深亞微米（DSM）工藝技術(shù)，IP核的復(fù)用和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是SoC的三大技術(shù)特征。41SoC技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用SoC（SystemsonChipSoC三大技術(shù)特征Soc還沒有一個公認(rèn)的準(zhǔn)確定義，但有三大技術(shù)特征：采用深亞微米（DSM）工藝技術(shù)，IP核（IntellectualPropertyCore）復(fù)用以及軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。SoC的開發(fā)是從整個系統(tǒng)的功能和性能出發(fā)，利用IP復(fù)用和深亞微米技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，綜合考慮軟硬件資源的使用成本，設(shè)計(jì)出滿足性能要求的高效率、低成本的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，從而在一個芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，并考慮其可編程特性和縮短上市時間。使用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)的芯片，一般有一個或多個微處理器芯片和數(shù)個功能模塊。各個功能模塊在微處理器的協(xié)調(diào)下，共同完成芯片的系統(tǒng)功能，42SoC三大技術(shù)特征Soc還沒有一個公認(rèn)的準(zhǔn)確定義，但有三大技SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因首先，是微電子加工技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使得在單個芯片上制作電子系統(tǒng)所需要的幾乎所有元件有了可能。其次，幾十年來集成電路的設(shè)計(jì)能力的增長滯后于工藝技術(shù)的發(fā)展，在深亞微米（DSM）階段變的更加突出，因而SoC設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。第三，電子系統(tǒng)發(fā)展的需要，利用SoC可以大大減少所使用的元件數(shù)量，提高產(chǎn)品性能，降低能耗，縮小體積，降低成本，或者說在相同的工藝技術(shù)條件下，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能指標(biāo)。43SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因首先，是微電子加工技術(shù)的發(fā)SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因按照1999年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展指南（ITRS1999），目前組成SoC的模塊單元可以包括微處理器核，嵌入式SRAM、DRAM和FLASH以及某些特定的邏輯單元。ITRS1999認(rèn)為，開發(fā)SoC的根本目標(biāo)是提高性能和降低成本SoC開發(fā)的另一個重要的考慮是他的可編程特性（通過軟件、fpga.flash或其它手段來實(shí)現(xiàn)）44SoC的產(chǎn)生和發(fā)展有三個方面的原因按照1999年國際半導(dǎo)體技IP核是SoC的建造基礎(chǔ)今天所稱的IP（IntellectualProperty）是指那些較高集成度并具有完整功能的單元模塊，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模塊。IP模塊的再利用，除了可以縮短SoC芯片的設(shè)計(jì)時間外，還能大降低設(shè)計(jì)和制造的成本，提高可靠性。45IP核是SoC的建造基礎(chǔ)今天所稱的IP（IntellectuIP核的三種類型46序號類別存在形式特點(diǎn)1軟核HDL語言形式HDL語言描述

，靈活度高，可修改

，與工藝獨(dú)立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；

IP很難保護(hù)，

必須在目標(biāo)工藝中實(shí)現(xiàn)，并由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者驗(yàn)證，優(yōu)點(diǎn)是源代碼靈活，可重定目標(biāo)于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。2固核網(wǎng)表形式邏輯綜合后的描述

，與工藝相關(guān)，由于內(nèi)核是預(yù)先設(shè)計(jì)的代碼模塊，因此這有可能影響包含該內(nèi)核的整體設(shè)計(jì)。3硬核版圖形式。物理綜合后的描述

，準(zhǔn)備流片

，包含工藝相關(guān)的布局和時序信息

，IP很容易保護(hù)

，多數(shù)的處理器和存儲器確保性能：速度、功耗等難以轉(zhuǎn)移到新工藝或集成到新結(jié)構(gòu)中，是不可重配置的IP核的三種類型15序號類別存在形式特點(diǎn)1軟核HDL語言形式IP核的三種類型根據(jù)IP使用的劃分，IP建立者可按下列三種形式設(shè)計(jì)IP：可再用、可重定目標(biāo)以及可配置。可再用IP是著眼于按各種再使用標(biāo)準(zhǔn)定義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。可重定目標(biāo)IP是在充分高的抽象級上設(shè)計(jì)的,因而可以方便地在各種工藝與結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移。可配置IP是參數(shù)化后的可重定目標(biāo)IP，其優(yōu)點(diǎn)是可以對功能加以裁剪以符合特定的應(yīng)用。這些參數(shù)包括總線寬度、存儲器容量、使能或禁止功能塊。硬IP與軟IP的意圖不同，因而對IP的開發(fā)和在這之后的IP的集成采用不同的方法。47IP核的三種類型根據(jù)IP使用的劃分，IP建立者可按下列三種形IP核的三種類型1.軟核軟核是用VHDL等硬件描述語言描述的功能塊，通常是以硬件描述語言HDL源文件的形式出現(xiàn)。IP的設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)投入少。由于不涉及物理實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)留有很大的發(fā)揮空間，增大了IP的靈活性和適應(yīng)性。其主要缺點(diǎn)是在一定程度上使后續(xù)工序無法適應(yīng)整體設(shè)計(jì)，從而需要一定程度的軟IP修正，在性能上也不可能獲得全面的優(yōu)化。由于軟核是以源代碼的形式提供，盡管源代碼可以采用加密方法，但其知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題不容忽視。48IP核的三種類型1.軟核17IP核的三種類型1.軟核軟IP是以綜合形式交付的，因而必須在目標(biāo)工藝中實(shí)現(xiàn),并由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者驗(yàn)證。其優(yōu)點(diǎn)是源代碼的靈活性，它可重定目標(biāo)于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。由于設(shè)計(jì)以高層次表示，因而軟IP是可再用的，易于重定目標(biāo)和重配置，然而預(yù)測軟IP的時序、面積與功率諸方面的性能較困難。為了實(shí)現(xiàn)最高效率的再使用并減少集成時間，IP應(yīng)從軟件源代碼開始;而為了確保性能，復(fù)雜IP應(yīng)以硬IP的形式共享。49IP核的三種類型1.軟核18IP核的三種類型2.固核固核則是軟核和硬核的折衷。大多數(shù)應(yīng)用于FPGA的IP內(nèi)核均為軟核，軟核有助于用戶調(diào)節(jié)參數(shù)并增強(qiáng)可復(fù)用性。軟核通常以加密形式提供，這樣實(shí)際的RTL對用戶是不可見的，但布局和布線靈活。在這些加密的軟核中，如果對內(nèi)核進(jìn)行了參數(shù)化，那么用戶就可通過頭文件或圖形用戶接口(GUI)方便地對參數(shù)進(jìn)行操作。50IP核的三種類型2.固核19IP核的三種類型2.固核對于那些對時序要求嚴(yán)格的內(nèi)核(如PCI接口內(nèi)核)，可預(yù)布線特定信號或分配特定的布線資源，以滿足時序要求。這些內(nèi)核可歸類為固核，由于內(nèi)核是預(yù)先設(shè)計(jì)的代碼模塊，因此這有可能影響包含該內(nèi)核的整體設(shè)計(jì)。由于內(nèi)核的建立(setup)、保持時間和握手信號都可能是固定的，因此其它電路的設(shè)計(jì)時都必須考慮與該內(nèi)核進(jìn)行正確地接口。如果內(nèi)核具有固定布局或部分固定的布局，那么這還將影響其它電路的布局。51IP核的三種類型2.固核20IP核的三種類型3.硬核硬IP對功率、體積和性能進(jìn)行了優(yōu)化，并映射至特定的工藝。具體實(shí)例包括已完成布局布線的網(wǎng)表，以特定工藝庫或全定制物理布圖，或兩者之組合。硬IP是特定工藝來實(shí)現(xiàn)的，通常用GDSII格式表示。52IP核的三種類型3.硬核21IP核的三種類型3.硬核硬IP可以再使用，且由于它已處于設(shè)計(jì)表示的最底層，因而最容易集成。硬IP已完全用目標(biāo)工藝實(shí)現(xiàn)，是按十分接近于標(biāo)準(zhǔn)單元庫元件的形式交付的，故而允許設(shè)計(jì)者將IP快速地集成在衍生產(chǎn)品中。硬IP最大的優(yōu)點(diǎn)是確保性能，如速度、功耗等。然而難以轉(zhuǎn)移到新工藝或集成到新結(jié)構(gòu)中，是不可重配置的。53IP核的三種類型3.硬核22滿足SoC的設(shè)計(jì)要求必須有四個特征從滿足SoC的設(shè)計(jì)要求來說，它必須有四個特征：1.必須是符合設(shè)計(jì)再利用的要求按嵌入式專門設(shè)計(jì)的；2.必須是經(jīng)多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到通常的“四最”（芯片面積最小，運(yùn)算速度最快、功耗最小，工藝容差最大）的目標(biāo)3.必須是允許許多國家公司在支付一定費(fèi)用后商業(yè)運(yùn)用的，而不是本公司內(nèi)部專用的。4.必須符合IP標(biāo)準(zhǔn)。1996年9月，世界35個著名公司組成一個國際性企業(yè)聯(lián)合組織即虛擬插座接口聯(lián)盟VSIA54滿足SoC的設(shè)計(jì)要求必須有四個特征從滿足SoC的設(shè)計(jì)要求來說片上系統(tǒng)的含義在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進(jìn)行通信的接口模塊、含有ADC/DAC的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，是一個具備特定功能、服務(wù)于特定市場的軟件和硅集成電路的混合體比如WLAN基帶芯片、便攜式多媒體芯片、DVD播放機(jī)解碼芯片等。55片上系統(tǒng)的含義在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)24印刷電路板、片上系統(tǒng)技術(shù)、可編程片上系統(tǒng)技術(shù)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，它是一種系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)技術(shù)利用各種通用集成電路IC（IntegratedCircuit）進(jìn)行印刷電路板PCB（PtintedCircuitBoard）板級的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使用ASIC（特定用途的集成電路器）為物理載體進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)稱為片上系統(tǒng)技術(shù)，即SoC；使用FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）作為物理載體進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)稱為可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，即SoPC（SystemonProgrammablechip）。SoC技術(shù)和SoPC技術(shù)都是系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)技術(shù)（統(tǒng)稱為廣義SoC）。ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit）特定用途的集成電路器，如電視、音響、錄放機(jī)、攝影機(jī)等各種專用型訂做的IC即是56印刷電路板、片上系統(tǒng)技術(shù)、可編程片上系統(tǒng)技術(shù)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)主要的3個關(guān)鍵的支撐技術(shù)①軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

主要是面向不同目標(biāo)系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory）和設(shè)計(jì)空間搜索技術(shù)。

②IP模塊復(fù)用技術(shù)IP是指那些集成度較高并具有完整功能的單元模塊，如MPU、DSP、DRAM、Flash等模塊。③模塊以及模塊界面間的綜合分析和驗(yàn)證技術(shù)

綜合分析和驗(yàn)證是難點(diǎn)，要為硬件和軟件的協(xié)同描述、驗(yàn)證和綜合提供一個自動化的集成開發(fā)環(huán)境。57系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)主要的3個關(guān)鍵的支撐技術(shù)①軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢1.減少體積重量：數(shù)顆IC整