SoC面世八年后的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇

1 SoC基本情況
(1)什么是SoC
    20世紀(jì)90年代中期，因使用ASIC實(shí)現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆硅片上的想法。這種芯片，初始起名叫System on a Chip(SoC)，直譯的中文名是系統(tǒng)級芯片。
    如何界定SoC，認(rèn)識并未統(tǒng)一。但可以歸納如下：
    ①SoC應(yīng)由可設(shè)計(jì)重用的IP核組成，IP核是具有復(fù)雜系統(tǒng)功能的能夠獨(dú)立出售的VLSI塊；
    ②IP核應(yīng)采用深亞微米以上工藝技術(shù)；
    ③SoC中可以有多個(gè)MPU、DSP、MCU或其復(fù)合的IP核。
    由上可見，無論從功能、工藝和應(yīng)用技術(shù)上，SoC都是站在高的起點(diǎn)上，對復(fù)雜功能的VLSI級IP核，使用重用技術(shù)。由于使用的是VLSI級的IP核為部件，設(shè)計(jì)重用的效率非常高。
(2)硬核、軟核、固核
    IP核是可設(shè)計(jì)重用的核。“設(shè)計(jì)重用”是指在設(shè)計(jì)硬件版圖時(shí)予以重用，以區(qū)別于過去所說的軟件“重用”。所以，依硬件設(shè)計(jì)階段的不同，重用的IP核也不同，故而有硬核、軟核、固核之分。
    ◆硬核(hard core)，專為版圖階段使用的IP核，以版圖的形式提交。硬核是已經(jīng)過性能、功耗、幾何尺寸的優(yōu)化，并映射為指定的工藝和通過實(shí)際流片驗(yàn)證的核。使用時(shí)，只要符合整體IC工藝，滿足本核物理限制的核就可使用。它的使用最為簡單，但損失了靈活性。
    ◆軟核(soft core)，專為RTL階段重用的IP核。它以綜臺之后的RTL級的描述形式提交，或以通用庫元素的網(wǎng)表形式提交。此類重用IP核只是通過了性能和時(shí)序的驗(yàn)證，其它的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容及相關(guān)的測試驗(yàn)證等事項(xiàng)均留待使用者來完成。因?yàn)楹罄m(xù)的布局布線、功耗、幾何尺寸，優(yōu)化、工藝映射等等尚未進(jìn)行，故用戶有最大的靈活性。
    ◆固核(firm core)，因所使用的設(shè)計(jì)階段介于軟核及硬核之間，故其IP核叫做固核。它是以綜合后的代碼或是通用庫網(wǎng)表的形式提交的。因只在布局規(guī)劃的層面上對性能和幾何尺寸等進(jìn)行過結(jié)構(gòu)性的或拓?fù)湟饬x的優(yōu)化和初步做過了多種工藝的映射，因而用戶的靈活性介于硬、軟核之間。
選購何種IP核為佳?若著眼于可被重用的頻度、可向其它工藝移植的可能、重用的靈活等方面來說，則以軟核最好、固核其次、硬核最差；若著眼于保證滿足要求的性能和規(guī)范、有較短的上市時(shí)間、自己付出勞動盡量地少又并不在乎高價(jià)，則正好是倒過來，即硬核最好、固核其次、軟核最差。
(3)SoC的一般構(gòu)成
    從大處來分，SoC含有：
    ◆邏輯核一包括CPU、時(shí)鐘電路、定時(shí)器、中斷控制器、串并行接口、其它外圍設(shè)備、I／O端口以及用于各種IP核之間的粘合邏輯等等；
    ◆存儲器核一包括各種易失、非易失以及Cache等存儲器；
    ◆模擬核——包括ADc、DAc、PLL以及一些高速電路中所用的模擬電路。(如數(shù)據(jù)傳輸率1．6Gbps@800MHz RDRAM的低擺幅信號傳輸部分、為傳輸彩色視頻信號速率達(dá)到1Gbps的l394/1394.B串行總線物理層以及為克服I／O端口瓶頸而采用的Hyper_LVDs高速緩沖的PCI總線等。)

(4)SoC開發(fā)的兩大問題
    開發(fā)設(shè)計(jì)重用IP核為基礎(chǔ)的SoC，存在設(shè)計(jì)和測試兩方面的難題。
    傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、測試開發(fā)等工具及其資源， 依然是開發(fā)SoC產(chǎn)品時(shí)的起步的參考。但是又必須與時(shí)俱進(jìn)，必須充分考慮設(shè)計(jì)重用引發(fā)的諸多方法學(xué)、黑箱測試與驗(yàn)證，以及深亞微米技術(shù)出現(xiàn)的天線效應(yīng)、信號流失等的特殊問題。硬／軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的新理論、協(xié)同設(shè)計(jì)新工具、硬軟固核的開發(fā)原則與提交規(guī)范、核庫的建設(shè)、可測性設(shè)計(jì)、可驗(yàn)證性設(shè)計(jì)以及方便前述各項(xiàng)實(shí)施的新型EDA、高級設(shè)計(jì)驗(yàn)證綜合平臺的完善等。1997年伊始，VSlA(虛擬插座接口聯(lián)盟)、Si2(硅片集成創(chuàng)始者刊物)、RAIPD網(wǎng)站(可重用專用IP開發(fā)者網(wǎng)站)等刊物以及散見于其它雜志的先驅(qū)們都發(fā)表過許多原創(chuàng)性的概念和規(guī)范文本，奠定了基于重用核SoC的基礎(chǔ)。目前SoC方面的論文書籍與曰俱增， SoC產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但是真正達(dá)到各個(gè)公司之間的共享知識產(chǎn)權(quán)， 決非一蹴而就的事。
    SoC的根本難點(diǎn)在于產(chǎn)品上市時(shí)間要求十分苛刻和生產(chǎn)上的一步到位的直接流片工藝， 其次，它所要求的技術(shù)又都特別前沿。只因逼上梁山， 非用一塊塊復(fù)雜IP堆起來不足以滿足要求。眼下最好的例子就是手機(jī)一越是高檔的， 其內(nèi)部越是只有一片技術(shù)含量更高的SoC。

2 IC業(yè)的第二次重組
    早期，IC業(yè)一直是少數(shù)IDM(集成器件制造廠)壟斷的行業(yè)。IDM從接受訂單、器件的設(shè)計(jì)，到IC的加工等等都是獨(dú)家封閉地完成的，如Intel、Motorola、IBM等公司。隨著PC機(jī)的普及和技術(shù)的發(fā)展，IDM自己獨(dú)立地?cái)U(kuò)充或靳建生產(chǎn)線，不僅耗貿(mào)巨大而且時(shí)間上也來不及，外包生產(chǎn)便是順理成章的事。這就是20世紀(jì)80年代末期， 第一次IC業(yè)重組的動因。這次重組的特點(diǎn)是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的外包。為此，竟然造就了一批新興的專門從事生產(chǎn)晶園及加工器件的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)， 叫做Foundy(代工廠)。IDM將加工外包之后， 剩下來的設(shè)計(jì)部門及器件銷售部門等等就泛稱為Fabless，實(shí)際應(yīng)是FablessIDM。它無對應(yīng)的合適中文名。
    20世紀(jì)90年代末，進(jìn)入IP核為基礎(chǔ)的SoC時(shí)代，設(shè)計(jì)部門因技術(shù)復(fù)雜，任務(wù)又重，便又進(jìn)一步重組， 留下系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分而將IP核的設(shè)計(jì)部分實(shí)行外包?？梢灶A(yù)斷又將造就一批新興的IP設(shè)計(jì)眼務(wù)產(chǎn)業(yè)。進(jìn)一步外包后的IDM所剩下的部分便叫做Chipless，實(shí)際應(yīng)是ChiplessIDM。它也無對應(yīng)的合適中文名。
    專門從事IP核設(shè)計(jì)的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)，在20世紀(jì)80年代末實(shí)際已經(jīng)出現(xiàn)，20世紀(jì)90年代初已然成長。它是專利授權(quán)公司，擅長MPU設(shè)計(jì)的ARM公司獨(dú)執(zhí)本行業(yè)的牛首。
    有的專家預(yù)計(jì)， 隨著嵌入式產(chǎn)品競爭的進(jìn)一步加劇，產(chǎn)品更新以季度為周期． 促使IDM們會進(jìn)一步把剩下來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門也狠心外包出去， 自己則新成立一個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)意部門，依賴原有實(shí)力， 專門構(gòu)想實(shí)用新型和另類應(yīng)用產(chǎn)品，蛻化為概念設(shè)計(jì)部門。這時(shí)的IDM，剩下的只是靠無形資產(chǎn)和吸納訂單的部門了，可名之為Dcsignless IDM。它也無對應(yīng)的中文名，如要硬套，便是皮包公司(非貶義)最恰如其分了。再次的外包，造就的將是一批獨(dú)立的SoC集成服務(wù)公司。

3 PSoC捷足先登
    晶體管的發(fā)明開創(chuàng)了IC產(chǎn)業(yè)。使用不同功能的IC，可構(gòu)成硬邏輯的專用型產(chǎn)品。如早期的計(jì)算器、早期的投幣售貨機(jī)和早期的鍵盤等。只因追求產(chǎn)品的靈活性，才發(fā)明了當(dāng)今運(yùn)行軟件程序的微處理器為基礎(chǔ)的計(jì)算器。如果再把軟件固化，整體產(chǎn)品再轉(zhuǎn)回到純粹的硬邏輯電路，便是所謂ASIC(專用集成電路)的專用型產(chǎn)品。有正必有反，與ASIC相對抗的是另一大類的硬件一可編程邏輯器件PLD。現(xiàn)在所使用的PLD有兩個(gè)子類：CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)和FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)。20世紀(jì)90年代末期提倡的SoC算是第三代的專用型產(chǎn)品。21世紀(jì)初，出現(xiàn)的PSoC則是第三代的通用型產(chǎn)品?，F(xiàn)歸納一下上述不同時(shí)期IC芯片的特征：
    硬邏輯產(chǎn)品一一第一代專用，軟件不可編程，硬件不可配置；
    MPU(計(jì)算機(jī)產(chǎn)品)一第一代通用，軟件可編程，硬件不可配置：
    AslC（硬邏輯產(chǎn)品）一一第二代專用，軟件不可編程，硬件不可配置；
    PLD（硬邏輯產(chǎn)品）一一第二代通用，軟件不可編程硬件可配置；
    SoC（計(jì)算機(jī)產(chǎn)品）一第三代專用，軟件可編程，硬件不可配置；
    PSoC（計(jì)算機(jī)產(chǎn)品）一第三代通用，軟件可編程，硬件可配置。
    PSoC是硬件可配置的SoC。因SoC本是軟件可編程的，所以，PSoC的用戶可獲得軟、硬兩個(gè)方面的編程靈活性。
    PSoC一般是在FPGA硅片上，嵌入MCUIP核的SoC,2000年，Altera生產(chǎn)了首例嵌入32位ARM IP核的Excalibur PSoC。接著又生產(chǎn)出32／16位Nios MPU軟核的StratixPSoC。Xilinx生產(chǎn)的是32位PowerPC MPU核的Virtex   IIPSoC 其它PLD制造商也都紛紛在自己的FPGA上嵌入了不同位數(shù)的MPU／MCU一般PSoC生產(chǎn)廠都提供一塊裝有PSoC的開發(fā)評估板,為用戶備好硬件軟件同步開發(fā)的良好環(huán)境，幫助目標(biāo)產(chǎn)品的開發(fā)及提前上市。這些PLD制造商都提供現(xiàn)成的硬件編程工具和豐富的邏輯元件庫供用戶使用。
    使用PSoC開發(fā)SoC產(chǎn)品比直接開發(fā)SoC產(chǎn)品有如下優(yōu)點(diǎn)：
    ①用設(shè)計(jì)重用IP核開發(fā)SoC的方法尚處建設(shè)階段，而PSoC方法已經(jīng)現(xiàn)實(shí)可用。
    ②PSoC著名廠商多具20多年堅(jiān)實(shí)功底，其硬件編程的各種工具和兼顧第三方的功能庫都已精良完善?；诓楸硭惴ǖ腇PGA已經(jīng)達(dá)到單片上構(gòu)建多核DSP或多個(gè)DSP處理器的水平，可以滿足當(dāng)前通信、音視頻和圖像應(yīng)用的需要。
    ③PSoC繞開了SoC方法虛擬插口的困擾、IP的黑箱認(rèn)證的困難，同時(shí)也避免了SoC的IC設(shè)計(jì)和流片過程占用的時(shí)間。
    ④大幅度地縮短上市時(shí)間。
    ⑤經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
    不足之處：
    ①PSoC芯片上的資源不免會比SoC有所浪費(fèi)。
    ②片上處理器受限于生產(chǎn)廠家的設(shè)定，缺乏選擇的靈活性。

4 老草開新花
    前面介紹的是32位MPU的PSoC，服務(wù)于當(dāng)前熱門的高端嵌入式消費(fèi)類應(yīng)用?，F(xiàn)在看8位MCU的PSoC,適于低端嵌入式控制應(yīng)用。
8位MCU PSoC的現(xiàn)狀歸納如下：
    ①M(fèi)CU-51核的居多，有ST公司的μPSD32xx、Cyprcss的CY8C264xx和CY8C266xx、Triscend的E5。 Sygnal的C8051Fxxx不屬于PSoC。
    ②非MCS-5l核的PSoC只發(fā)現(xiàn)一家。它是Atmel公司的8位RISCAVR核MCUPPSoC，AT94K40。它們各自都提供配置硬件的軟件工具，有的還是免費(fèi)的。
    下面選ST公司的μPSD32xx來說明一下PSoC：的結(jié)構(gòu)。選它的理由是：
    ①M(fèi)ES-51核是MCU的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用最廣，其原理和開發(fā)已為廣大工程界所熟知；僅需學(xué)習(xí)它的硬件編程部分和配置硬件；它的硬件編程工具是免費(fèi)。
    ②硬件編程的PLD部分是過去大家熟知的WSI公司的技術(shù)，即當(dāng)初專門與MCU／MPU配套的可編程外圍芯片。因WSI公司現(xiàn)被ST收購，專門在其上嵌入5l核構(gòu)成PSoC。片上沉淀著WSI 20多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
    圖l是μPSD32xx的簡圖。

    ①圖1分為兩大部分，硬件固定部分和硬件可配置部分。
    ②硬件固定部分有兩塊：MCU核和MCU的擴(kuò)展。硬件可配置部分有四塊：存儲器塊、DPLD、CPLD、PPLD。
    ③MCU核是8032核。
    ④MCU擴(kuò)展塊有：2個(gè)I2C核、第二個(gè)UART、5通道PWM、USB、復(fù)位／監(jiān)控／看門狗等，補(bǔ)充8052核的不足。眾所周知，8051已有20多年的歷史，是最老的MCU，目前有數(shù)十個(gè)廠家在更新和繼續(xù)生產(chǎn)。更新集中在六個(gè)方面，詳情請見文獻(xiàn)。
    ⑤存儲器塊包括：1一Flash 256KB、2-Flash 32KB、帶備用電池SRAM 8KB。每塊存儲器的任意部分都可通過DPLD為它們配置片選信號。配置每一存儲塊到數(shù)據(jù)或程序空間、外部或內(nèi)部空間。運(yùn)行中間可以動態(tài)地改變所在的存儲空間。在頁寄存器的幫助下，DPLD可以突破原來64KB尋址空間的限制，而一直擴(kuò)大到16MB，滿足現(xiàn)今對大存儲的需要。
    ⑥D(zhuǎn)PLD是地址解碼PLD，專門用于配置片選信號，如上所述。
    ⑦CPLD是復(fù)雜PLD，因?yàn)榫哂泻陠卧?，專為配置額外的I／O端口之用。
    ⑧PPlD是外設(shè)CPLD，也具有宏單元，用于配置其它需要的邏輯部件，這部分可以與前項(xiàng)的CPLD合并使用。
    ⑨硬件的配置通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)。無需另外的燒寫器。Flash的燒寫也同樣。
    ⑩使用獨(dú)立的1-Flash、2-Flash實(shí)現(xiàn)動態(tài)的IAP。更新軟件不必停止當(dāng)前程序運(yùn)行。
    ⑾合理地配置存儲器的分頁，能實(shí)現(xiàn)比一般方法簡單得多的跨頁超大程序的運(yùn)行?！　　?BR>    ⑿免費(fèi)提供不用HDL，語言的μPSDSofl Express軟件。用它完成硬件配置，簡單易學(xué)。

5 如何最快地挖到SoC的第一桶金
(1)SoC高層次挖金方案
    由l、2部分知，進(jìn)入SoC領(lǐng)域挖金需要有計(jì)算機(jī)和微電子行業(yè)較廣的知識和深入的專業(yè)技術(shù)。容易挖到金的地方如下：
    ◆Foundy(代工廠)是專fq負(fù)責(zé)晶園到IC的加工廠，不負(fù)責(zé)IC的電子電路設(shè)計(jì)。Foundy適臺單純資金優(yōu)勢的投資者經(jīng)營。它的投資額度較大，IDM自己多不愿重金投入初始吃不飽的生產(chǎn)線，正好是專門承攬加工業(yè)務(wù)的Foundy發(fā)展的良機(jī)。投資瞄準(zhǔn)的方向應(yīng)是前途看好的、最先進(jìn)的生產(chǎn)線。
    ◆IP設(shè)計(jì)服務(wù)產(chǎn)業(yè)和SoC集成服務(wù)公司都是純技術(shù)性投入的新興產(chǎn)業(yè)。它立足于自己開發(fā)，投資不需很大。對于技術(shù)水平勉強(qiáng)并無真實(shí)的感悟者，恐怕不能冒然進(jìn)入這樣的行業(yè)。尤其是關(guān)于IP核和SoC尚無公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險(xiǎn)很大，目前，還有捷足先登的基于FPGA的32位PSoC的競爭。
(2)32位PSoC層次挖金方案
    開辟基于FPGA PSoC的設(shè)計(jì)服務(wù)產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)前比較穩(wěn)健而又現(xiàn)實(shí)的業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在，立即就可以開發(fā)產(chǎn)品；將來，在窮盡PSoC片上FPGA資源時(shí)，也許就會裂變，走出另一條通向SoC的捷徑也說不定。這是一條適合高中級技術(shù)人才發(fā)展的丘陵之地。
(3)8位PSoC層次挖金方案
    嵌入8位MCU PSoC產(chǎn)品的開發(fā)是一般技術(shù)人員都可走出的一條最容易的挖金坦途。8位MCU極容易上手，于是手上就握有一把軟件編程的劍；PsoC叉教會掌握另一把硬件可編程的劍。如果所選PSoC嵌入的是核，只需磨快硬件可編程的劍，學(xué)習(xí)難度一下子就減少了一半。前面已經(jīng)講過，MCS-5l與PLD的結(jié)合，能輕松地突破64KB存儲界限，能輕松取得靈活的動態(tài)存儲管理，能獲得動態(tài)IAP等獨(dú)到的長處等等。故，從8位PSOC切入硬件可編程的門檻，對誰都是最簡單的進(jìn)取之路。掌握之后，再換用32位PSoC，展現(xiàn)眼前的又將是新的一馬平川。要使用MCS-51核PSoC去更新老的MCS-5l產(chǎn)品，任何人都有條件輕松挖到第一桶金。祝君成功!