什么是FPGA、SOC、SOPC、DSP？

FPGA

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有：
1）采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。
4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

目前FPGA的品種很多，有XILINX公司的Virtex系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的Stratix系列等。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。

最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

SOC

SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，1. 技術發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。

SoC基本概念

SoC的定義多種多樣,由于其內(nèi)涵豐富、應用范圍廣,很難給出準確定義。一般說來, SoC稱為系統(tǒng)級芯片,也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個產(chǎn)品,是一個有專用目標的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術,用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設計的整個過程。從狹義角度講,它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個微小型系統(tǒng),如果說中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內(nèi)外學術界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的,或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。

SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面:其一是它的構成,其二是它形成過程。系統(tǒng)級芯片的構成可以是系統(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、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊,對于一個無線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現(xiàn))以及微電子機械模塊,更重要的是一個SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。系統(tǒng)級芯片形成或產(chǎn)生過程包含以下三個方面:

1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計和驗證;
2) 再利用邏輯面積技術使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開發(fā)和研究IP核生成及復用技術,特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等;
3) 超深亞微米(UDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。

SoC設計的關鍵技術

具體地說, SoC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協(xié)同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現(xiàn)技術等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究,是一門跨學科的新興研究領域。

SoC的發(fā)展趨勢及存在問題

當前芯片設計業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn),系統(tǒng)芯片SoC已經(jīng)成為IC設計業(yè)界的焦點, SoC性能越來越強,規(guī)模越來越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠大于普通的ASIC,同時由于深亞微米工藝帶來的設計困難等,使得SoC設計的復雜度大大提高。在SoC設計中,仿真與驗證是SoC設計流程中最復雜、最耗時的環(huán)節(jié),約占整個芯片開發(fā)周期的50%～80% ,采用先進的設計與仿真驗證方法成為SoC設計成功的關鍵。SoC技術的發(fā)展趨勢是基于SoC開發(fā)平臺,基于平臺的設計是一種可以達到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設計方法,分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果,不斷重整價值鏈,在關注面積、延遲、功耗的基礎上,向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移,使系統(tǒng)級集成能力快速發(fā)展。

SOPC

(System-on-a-Programmable-Chip)即可編程片上系統(tǒng)

用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

·SOPC的特點

SOPC結合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征：
至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核；
具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；
豐富的IP Core資源可供選擇；
足夠的片上可編程邏輯資源；
處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；
可能包含部分可編程模擬電路；
單芯片、低功耗、微封裝。

·SOPC的技術內(nèi)容

SOPC設計技術涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設計技術、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協(xié)同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協(xié)同設計技術提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內(nèi)實時調(diào)試工具。

·SOPC的前景

SOPC是PLD和ASIC技術融合的結果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價格仍然相當昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。SOPC被稱為“半導體產(chǎn)業(yè)的未來”。

SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)。SOPC的設計技術是現(xiàn)代計算機輔助設計技術、EDA技術和大規(guī)模集成電路技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPC技術是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中嵌入實現(xiàn)。大量采用IP復用、軟硬件協(xié)同設計、自頂向下和自底向上混合設計的方法，邊設計、邊調(diào)試、邊驗證……原本需要寫上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實現(xiàn)。因此，可以使得整個設計在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化。

傳統(tǒng)的設計技術已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化、高速度、低功耗、多媒體等實際需求，SOPC（片上可編程系統(tǒng)）可將處理器、存儲器、外設接口和多層次用戶電路等系統(tǒng)設計需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設計可重用特性，已經(jīng)成為集成電路未來的發(fā)展方向，廣泛應用到汽車、軍事、航空航天、廣播、測試和測量、消費類電子、無線通信、醫(yī)療、有線通信等領域。

SOPC技術是一門全新的綜合性電子設計技術，涉及面廣。因此在知識構成上對于新時代嵌入式創(chuàng)新人才有更高的要求，除了必須了解基本的EDA軟件、硬件描述語言和FPGA器件相關知識外，還必須熟悉計算機組成與接口、匯編語言或C語言、DSP算法、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、片上系統(tǒng)構建與測試等知識。顯然，知識面的拓寬必然推動電子信息及工程類各學科分支與相應的課程類別間的融合，而這種融合必將有助于學生的設計理念的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的升華。

DSP

DSP數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

DSP微處理器

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：

　?。?）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；
　?。?）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；
　　（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；
　　（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；
　?。?）快速的中斷處理和硬件I/O支持；
　?。?）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；
　?。?）可以并行執(zhí)行多個操作；
　?。?）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。