SOC设计基础

SOC设计基础

第1章绪论

1.1 SOC的概念

SOC是System On Chip的缩写，一般译为片上系统。从字面意义理解，SOC 就是集成在单一芯片上的系统。那么是什么样的系统呐？从典型的SOC的功能上看，这个“系统”就是常说的嵌入式系统。那么什么是嵌入式系统？再进一步解释下去，所谓，嵌入式系统就是“嵌入到应用对象中的计算机系统”，它由构成普通计算机系统的核心部件，如CPU、存储器、接口电路等构成，也同样要依靠程序运行，但不具有普通计算机的外部形态。“嵌入”的意思是说它在应用时要嵌入到应用对象中，例如，用于汽车的嵌入式系统要“嵌入”，或者说安装到汽车中，用于仪器或仪表的嵌入式系统要安装到仪表中。平时，我们只能看到应用对象，而看不到“嵌入式系统”，但它却实实在在地存在，并起着致关重要的作用。普通的嵌入式系统是制作在线路板上的，要由多个芯片构成，而SOC 则是制作在一个芯片上，从这个角度看，SOC也可以理解为对现有系统的进一步集成。现在，可以先给SOC做一个简单的定义：SOC就是在单一芯片上实现的嵌入式系统。

1.2 SOC的特征

从外观上看SOC就是一个芯片，与其它集成电路芯片没有什么区别。SOC 的特征在于其内部的硬件资源和设计目标。按定义，一个SOC是一个计算机系统，它一定要有CPU或DSP。SOC还一定要有存储器，包括程序存储器和数据存储器，因为没有存储器也不能构成系统。即使有这些硬件资源，能够构成系统，也不一定就是SOC，因为普通的微控制器（MCU，即单片机）同样也具有这些资源。SOC与普通单片机的区别在于，SOC在芯片的设计阶段就考虑到了应用，是面向某一个特定应用领域的。SOC一定要有这个应用领域需要的特定硬件资源，否则就没有设计的必要了。为突出这个特征，需要在简单定义上增加一个定语，即：SOC就是在单一芯片上实现的，面向特定应用的嵌入式系统。

1.3 SOC设计技术

仅从功能特征和硬件资源特征上给SOC下定义是不全面的，多数情况下，讨论SOC其实是讨论一种设计技术。SOC的设计技术基于一般大规模数字电路

的设计技术，但也有其特有的方法。SOC中有CPU，能够运行程序，同时，也可以为某些功能设计特定的硬件，以提高处理效率。因此，在SOC设计时，首先要考虑软件和硬件的划分问题，这是SOC设计特有的问题。SOC的功能要通过程序运行才能体现，在进行功能验证时，物理形态还没有形成，就要能够运行程序。因此，需要在设计的早期就能验证其功能的设计平台，并进行软、硬件协同设计。由于SOC通常是具有复杂功能的庞大系统，一切从零开始设计是不现实的，往往要使用经过验证的功能模块，即所谓IP核。因此，软硬件划分、软硬件协同和IP核的使用就成为SOC设计技术的主要特征。

1.4 SOC设计流程

（1）编写设计规格书

设计一个SOC首先要确定芯片的功能和主要的性能，以作为将来电路设计时的依据。同时还需要确定软件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能由专用的硬件实现，哪些功能由软件实现。所有这一些都要一份详细的设计说明书，也成为规格书（Specification）中。

（2）设计描述和行为级验证

根据规格书定义的功能，可SOC 划分为若干功能模块，并决定哪些功能模块使用哪一种IP 核实现或自行设计。确定功能定模块后，对需要自行设计的模块可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言进行设计。接着，利用EDA工具进行电路的仿真验证。注意，功能验证阶段，。

3．逻辑综合

确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合。综合过程中，需要选择适当的逻辑器件库（logic cell library），作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上，综合工具支持的HDL 语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于做为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。

4．门级验证（Gate-Level Netlist Verification）

门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。

5．布局和布线

布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意，各模块之间的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，这种现象更为显著。

SOC设计方法与实现

关于对 《SoC设计方法与实现》的一点认识 '

| 目录 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 (8) 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) ;

\ 摘要 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、 1 1952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。

《现代SOC设计技术》学习小结

《现代SOC设计技术》学习小结 目录 一、SOC的概念 二、前端设计和后端实现 三、可测性设计 四、软硬件协同技术 五、验证技术 六、低功耗技术 七、IP复用技术 一、SOC概念 SOC（System on Chip）中文翻译为片上系统、系统级芯片等，由超大规模集成电路发展而来。从狭义上理解，SOC即把系统关键部件集成的到一张芯片上；而从广义上理解，SOC本身就是一个小型系统。 SOC的发展由市场和技术共同推动。20世纪90年代，计算机、通信、电子产品以及军事等领域需要大量高集成度的集成电路，于是集成电路向集成系统转变。这种转变的表现，一方面，IC品种增加、规模扩大、性能提高、上市时间缩短，并且IC标准化形成；另一方面，微电子技术不断发展，计算机性能提高，EDA综合开发工具性能提高，硬件描述语言公布。相比于IC，SOC具有的优势有：功耗低、体积小、速度快、功能丰富、节省成本。 IP核是SOC设计的基本单元。IP核是已经设计好经过验证的具

有特定功能的电路模块。在设计SOC时可以直接使用IP核。IP核分为软核、硬核和固核。软核指RTL级描述的核，一般是HDL代码，也就是源代码。它不依赖工艺，灵活性好，价格很贵。硬核指电路版图形式的核，不能被修改。它需要预先布局，可靠性高，价格低。固核介于软核和硬核之间，属于门级网表形式，固核需要使用者布局布线，有一定的灵活性。 SOC设计是基于核的设计，也就是将系统按功能分为若干块，组合不同的IP核，集成为特定功能的芯片的过程。但是这不意味着，简单的组合IP核就够了，还需要IP核的测试复用和结构上的精心设计。通常利用IP模块可以简化系统设计，但是对开发者理解IP模块有了更高的要求，时序一致性的问题也会凸显。这个问题推动了IP 模块的标准化。代表性的SOC标准化组织是美国的VSIA。 SOC的技术的特征有：复杂的系统功能、软硬件结合、含有一个或多个芯核（微处理器MPU、微控制器MCU、数字信号处理器DSP等）、采用深亚微米或超深亚微米工艺实现。 随着计算机、通信、手持设备等对IC的需求不断增加。IC的发展由元件到单元，再到RTL，现在为IP核。集成电路会继续朝着SOC 发展。 我国的SOC产业从20世纪90年代开始逐步发展。现在基本分为三大产业：设计、制造和封装。封装测试业占的比重约70%。在我国SOC发展的重点有高端通用芯片、网络通信、数字家电、信息安全、工业控制、生物医疗、IP核。

SOC的软硬件协同设计方法和技术

SOC的软硬件协同设计方法和技术 摘要： 随着嵌入式系统与微电子技术的飞速发展，硬件的集成度越来越高，这使得将CPU、存储器和I/O设备集成到一个硅片上成为可能，SOC应运而生，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流。传统的嵌入式系统设计开发方法无法满足Soc设计的特殊要求，这给系统设计人员带来了巨大的挑战和机遇，因此针对Soc的设计方法学己经成为当前研究的热点课题。 论文首先分析了嵌入式系统设计的发展趋势，论述了传统设计开发方法和工具的局限性，针对Soc设计技术的特点探究了Soc软硬件协同设计方法的流程，并讨论了目前软硬件协同设计的现状。 关键词: 软硬件协同设计，可重用设计，SOC 背景： 计算机从1946年诞生以来，经历了一个快速发展的过程，现在的计算机没有变成科幻片电影中那样贪婪、庞大的怪物，而是变得小巧玲珑、无处不在，它们藏身在任何地方，又消失在所有地方，功能强大，却又无影无踪，这就是嵌入式系统。嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系纫‘泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，发展非常迅速，调查数据表明，嵌入式系统的增长为每年18%，大约是整个信息技术产业平均增长的两倍[1]，目前世界上大约有2亿台通用计算机,而嵌入式处理器大约60亿个，嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业的重要增长点。 随着集成电路制造工艺的飞速发展，嵌入式系统硬件的集成度越来越高，这使得将嵌入式微处理器、存储器、I/O设备等硬件组成部件集成到单个芯片上成为可能，片上系统SoC (System on Chip)应运而生[2]。SOC极大地缩小了系统体积；减少了板级系统SoB(System on Board)中芯片与芯片之间的互连延迟，从而提高了系统的性能; 强调设计重用思想，提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了产品的上市时间。因此SOC以其集成度高、体积小、功耗少、可靠性好、产品问世周期短等优点得到了越来越广泛地应用，并且正在逐渐成为当前嵌入式系统设计的主流技术[3]。但Soc设计不同于传统嵌入式系统的开发，如何快速、有效地开发和设计Soc产品是当前嵌入式设计开发方法学的一个十分重要的研究领

基于ARM的SoC设计入门.

基于ARM的SoC设计入门 2005-12-27 来源:电子工程专辑阅读次数: 1033 作者:蒋燕波 我们跳过所有对ARM介绍性的描述，直接进入工程师们最关心的问题。 要设计一个基于ARM的SoC，我们首先要了解一个基于ARM的SoC的结构。图1是一个典型的SoC的结构：

图1 从图1我们可以了解这个的SoC的基本构成： ARM core：ARM966E

?AMBA 总线：AHB+APB ?外设IP(Peripheral IPs)：VIC(Vector Interrupt Controller), DMA, UART, RTC, SSP, WDT ?Memory blocks：SRAM, FLASH ?模拟IP：ADC, PLL 如果公司已经决定要开始进行一个基于ARM的SoC的设计，我们将会面临一系列与这些基本构成相关的问题，在下面的篇幅中，我们尝试讨论这些问题。 1. 我们应该选择那种内核？ 的确，ARM为我们提供了非常多的选择，从下面的表-1中我们可以看到各种不同ARM内核的不同特点：

表1 ARM已经给出了基本的参考意见：

?如果您在开发嵌入式实时系统，例如汽车控制、工业控制或网络应用，则应该选择Embedded core。 ?如果您在开发以应用程序为主并要使用操作系统，例如Linux, Palm OS, Symbian OS 或Windows CE等等，则应选择Application core。 ?如果您在开发象Smart card，SIM卡或者POS机一样的需要安全保密的系统，则需要选择Secure Core。 举个例子，假如今天我们需要设计的是一个VoIP电话使用的SoC，由于这个应用不需要使用到操作系统，所以我们可以考虑使用没有MMU的内核。另外由于网络协议盏对实时性的要求较高，所以我们可以考虑ARM9系列的内核。又由于VoIP有语音编解码方面的需求，所以需要有DSP功能扩展的内核，所以ARM946E-S或ARM966E-S应该是比较合适的选择。 当然，在实际工作中的问题要比这个例子要复杂的多，比如在上一个例子中，我们也可以选择ARM7TDMI内核加一个DSP的解决方案，由ARM来完成系统控制以及网络协议盏的处理，由单独的DSP来完成语音编解码的功能。我们需要对比不同方案的面积，功耗和性能等方面的优缺点。同时我们还要考虑Cache size，TCM size，实际的内核工作频率等等相关问题，所以我们需要的一个能构快速建模的工具来帮助我们决定这些问题。现在的EDA工具为我们提供了这样的可能，例如Synopsys?的CCSS（CoCentric System Studio）以及Axys?公司的Maxsim?等工具都可以帮助我们实现快速建模，并在硬件还没有实现以前就可以提供一个软件的仿真平台，让我们在这个平台上进行软硬联仿，评估我们设想的硬件是否满足需求。 2.我们应该选择那种总线结构？ 在提供内核给我们的同时，ARM也提供了多种的总线结构。例如ASB，AHB，AHB lite，AXI等等，在定义使用何种总线的同时，我们还要评估到底怎样的总线频率才能满足我们的需求，而同时不会消耗过多的功耗和片上面积。这就是我们平时常说的Architecture Exploration的问题。 和上一个问题一样，这样的问题也需要我们使用快速建模的工具来帮我们作决定。通常，这些工具能为我们提供抽象级别很高的TLM（Transaction Level Models）模型来帮助我们建模，常用的IP在这些工具提供的库中都可以找到，例如各种ARM core，AHB/APB BFM（Bus Function Model），DMAC以及各种外设IP。这些工具和TLM模型提供了比RTL仿真快100～10000倍的软硬联仿性能，并提供系统的分析功能，如果系统架构不能满足需要，那么瓶颈在系统的什么地方，是否是内核速度不够？总线频率太低？Cache太小？还是中断响应开销太多？是否需要添加DMA？等等，诸如此类的问题，我们多可以在工具的帮助下解决。

SOC设计方法

SOC设计方法 时间：2011-01-13 19:02:31 来源：作者： 本文通过对集成电路IC技术发展现状的讨论和历史回顾,特别是通过对电子整机设计技术发展趋势的探讨,引入系统芯片（System on Chip,简称SOC）的定义,主要特点及其设计方法学等基本概念,并着重探讨面向SOC的新一代集成电路设计方法学的主要研究内容和发展趋势。 关键词：SOC 软硬件协同设计超深亚微米高层次综合IP核设计再利用引言 人类进入21世界面临的一个重要课题就是如何面对国民经济和社会发展信息化的挑战。以网络通信、软件和微电子为主要标志的信息产业的飞速发展既为我们提供了一个前所未有的发展机遇,也营造了一个难得的市场与产业环境。 集成电路作为电子工业乃至整个信息产业的基础得益于这一难得的机遇,呈现出快速发展的态势。以软硬件协同设计（Software/Hardware Co-Design）、具有知识产权的内核（IP核）复用和超深亚微米（Very Deep Sub-M集成电路ron,简称VDSM）技术为支撑的SOC是国际超大规模集成电路（VLSI）的发展趋势和新世纪集成电路的主流。 与此同时,集成电路设计技术的进步滞后于集成电路制造技术的进步已成为制约未来集成电路工业进一步健康发展的关键。传统的、基于标准单元库的设计方法已被证明不能胜任SOC的设计;现行的面向逻辑的集成电路设计方法在深亚微米集成电路设计中遇到了难以逾越的障碍;芯片设计涉及的领域不再局限于传统的半导体而且必须与整机系统结合;集成电路设计工程师们从来没有像今天这样迫切地需要汲取新知识,特别是有关整机系统的知识。所以尽快开展面向SOC的新一代集成电路设计方法学研究对于推动集成电路的发展是至关重要的。 回顾20世纪后半叶集成电路工业的历史,不难看出著名的MOORE（摩尔）定律一直在准确地描述着集成电路技术的发展。专家们普遍认为,在新的世纪中,这一著名定律仍将长期有效。尽管MOORE定律揭示的集成电路工艺技术的进步规律是那样的诱人,且其发展速度之高在现代社会是少有的,但是今天正在蓬勃发展的网络技术的进步相比（见图1）还是相形见绌,远远不能满足信息产业发展的要求。

SOC芯片介绍

关于SoC芯片设计技术 什么是SOC 随着设计与制造技术的发展，集成电路设计从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，现在又发展到IP的集成，即SoC(System on a Chip)设计技术。SoC 可以有效地降低电子/信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工业界将采用的最主要的产品开发方式。虽然SoC一词多年前就已出现，但到底什么是SoC则有各种不同的说法。在经过了多年的争论后，专家们就SoC的定义达成了一致意见。这个定义虽然不是非常严格，但明确地表明了SoC的特征： 实现复杂系统功能的VLSI； 采用超深亚微米工艺技术； 使用一个以上嵌入式CPU/数字信号处理器（DSP）； 外部可以对芯片进行编程； 怎样去理解 SoC中包含了微处理器/微控制器、存储器以及其他专用功能逻辑，但并不是包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑的芯片就是SoC。SoC技术被广泛认同的根本原因，并不在于SoC可以集成多少个晶体管，而在于SoC可以用较短时间被设计出来。这是SoC的主要价值所在——缩短产品的上市周期，因此，SoC更合理的定义为：SoC是在一个芯片上由于广泛使用预定制模块 IP(Intellectual Property)而得以快速开发的集成电路。从设计上来说，SoC就是一个通过设计复用达到高生产率的硬件软件协同设计的过程。从方法学的角度来看，SoC是一套极大规模集成电路的设计方法学，包括IP核可复用设计/测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片验证和测试方法学。SOC是一种设计理念，就是将各个可以集成在一起的模块集成到一个芯片上，他借鉴了软件的复用概念，也有了继承的概念。也可以说是包含了设计和测试等更多技术的一项新的设计技术。 SOC的一般构成