片上系統(tǒng)（System on a Chip，簡稱：SoC）指的是在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)的技�，所謂完整的系統(tǒng)一般包�中央處理��CPU）�存儲�、以及外圍電路等�
片上系統(tǒng)的具體定義為：在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)，一般包括系�(tǒng)級芯片控制邏輯模�、微處理�/微控制器CPU內核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模�、和外部進行通信的接口模�、含有ADC/DAC的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模�，是一個具備特定功能、服務于特定市場的軟件和硅集成電路的混合�，比如WLAN基帶芯片、便攜式多媒體芯�、DVD播放機解碼芯片等。片上系�(tǒng)產品的成功關鍵在于需要在正確的時間窗口為目標用戶提供令人滿意的性能和價��
片上系統(tǒng)技術始�20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的�(fā)�，IC設計者能夠將愈來愈復雜的功能集成到單硅片上，SoC正是在集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）轉變的大方向下產生��1994年Motorola�(fā)布的FLEX-CORE系統(tǒng)（用來制作基�68000和PowerPC的定制微處理器）�1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC，可能是基于IP（Intellectual Property）核完成SoC設計的最早報�。由于SoC可以充分利用已有的設計積�，從而顯著地提高了ASIC的設計能�，因此發(fā)展非常迅�，引起了工業(yè)界和學術界的關注�
�10 年來，無論是消費類產品如電視、錄像機，還是通信類產品如電話、網絡設備，這些產品的核心部分都開始采用芯片作為它們的“功能中樞�，這一切都是以嵌入式系�(tǒng)技術得到飛速發(fā)展作為基礎的。片上系�(tǒng)是ASIC（Application Specific Integrated Circuits）設計方法學中的新技�，是指以嵌入式系�(tǒng)為核心，以IP 復用技術為基礎，集�、硬件于一�，并追求產品系統(tǒng)包容的集成芯�。狹意些理解，可以將它翻譯為“系�(tǒng)集成芯片”，指在一個芯片上實現(xiàn)信號采集、轉�、存�、處理和I/O 等功�，包含嵌入軟件及整個系�(tǒng)的全部內容；廣義些理�，可以將它翻譯為“系�(tǒng)芯片集成”，指一種芯片設計技�，可以實�(xiàn)從確定系�(tǒng)功能開始，到軟硬件劃分，并完成設計的整個過��
片上系統(tǒng)常具備以下基本特征：
1.片上系統(tǒng)中可以有多個MPU、DSP、MCU或其復合的IP��
2.片上系統(tǒng)內嵌有系�(tǒng)軟件或可載入的用戶軟��
3.片上系統(tǒng)應由可設計重用的IP核組�，IP核是具有復雜系統(tǒng)功能、能夠獨立出售的VLSI模塊�
4.片上系統(tǒng)應采用深亞微米以上的工藝技��
在DemoSoC�，各個模塊通過一個高速的系統(tǒng)總線和一個低速的外設總線相連接；還包括一�32位處理器，控制所有外設協(xié)調工�。DemoSoC各個子模塊描述如下�
1.32位開源處理器核OR1200，處理器核是整個SoC的核心控制單�
除CPU核外，該處理器內部還集成了定時器（用于操作系�(tǒng)“心跳”中斷）、中斷控制器、節(jié)電控制模塊（電源管理模塊）。該處理器是哈佛架構，指令和�(shù)據分�，分別通過指令總線接口單元（Bus Interface Unit）和�(shù)據總線接口單元連接到片上總�，這兩個總線接口單元都是總線組設備�
2.NandFlash控制�
連接到NandFlash，實�(xiàn)到NandFlash的訪�。NandFlash的存儲容量非常大，是U盤的核心器件，其寫入和讀取過程復雜度相當，因此一般不能直接用做啟動ROM，必須輔助以其他手段才能用于啟動ROM。后文將詳細講述�
3.外部存儲器控制EMC模塊，其內部包括SDRAM控制器和OnChipROM控制�
OnChipROM用于存儲處理器啟動后�(zhí)行的最初代�，完成整個系�(tǒng)最基本的初始化工作。SDRAM的單個存儲單元面積小，因此SDRAM的容量大，讀寫速度較快，這是高性能計算機系�(tǒng)所需要的。SDRAM的缺點也是控制相對復�。SDRAM與NandFlash相互配合，構成了�(xiàn)代高性能嵌入式系�(tǒng)的存儲系�(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與PC相比較，SDRAM是內�，而NandFlash則等價于硬盤�
4.IIS音頻控制�
IIS是Inter-IC Sound的簡�，該接口是數(shù)字音頻到音頻編解碼器之間的接�，用于在它們之間傳送立體聲音頻。類似于IIS，AC97同樣是另外一種音頻接口標�。AC97在個人計算機系�(tǒng)中應用較�，而IIS更多的見諸于嵌入式系�(tǒng)。高等級的音頻有時采用SPDIF接口�
5.12Mbps USB Device+Host控制�
該模塊包括USB從設備和主設備兩個部分。在嵌入式系�(tǒng)�，USB從設備一般用于取代串口實�(xiàn)更高速度的嵌入式設備與PC之間的連接，用于設備調試；而USB主設備接口則用于連接一些性能不高的USB外設，包括U盤和其他設備。在DemoSoC中，480Mbps的高速USB設備（包括主設備和從設備）可連接到PCI Host接口�
6.總線橋和DMA
總線橋的作用是將高速總線和低速總線區(qū)分開。在一般的高性能嵌入式系�(tǒng)中，高速總線的速度一般是低速總線的2��4��8倍可調節(jié)，而CPU的時鐘頻率是高速總線的1��2��4倍可調節(jié)?？偩€橋的個核心設計目的是節(jié)電，第二個目的是減少高速總線的容性負�，第三個目的是實現(xiàn)高速總線和低速總線的速率解耦，目的三是目的一的代�。DMA用于在設備之間搬運數(shù)據，從而將處理器解放出來處理更重要的任�。一般DMA放置于總線橋中，這是因為總線橋是最方便訪問兩個總線的位置，只有放在總線橋中，DMA才能��
7.LCD控制�
根據是否自帶顯存，LCD可以分為RGB接口LCD和智能LCD。RGB接口LCD不帶顯存，必須依賴總線主設備上的存儲器作為顯存，因此，RGB接口LCD控制器模塊是一個總線主設備，當顯存刷新失敗時將產生中斷等待處理器進行處理。智能LCD自帶顯存，處理器只根據顯示的需要對顯存的特定像素寄存器和其他控制器進行簡單的操作即�?？紤]到顯存的價格因素，智能LCD更多在低端嵌入式設備中采�，屏幕尺寸一般較��
8.手機鍵盤控制�
手機鍵盤�4?6的小型掃描鍵�。手機鍵盤控制器的設計要點在于鍵盤的防抖�
9.IIC接口模塊
在DemoSoC中，IIC接口用于連接實時時鐘控制�。實時時鐘是許多便攜式嵌入式系統(tǒng)必備的模�。實時時鐘控制器通過IIC接口與嵌入式控制器相連接。IIC是Inter-IC Communication的縮�，其特點是管腳數(shù)只有兩�。IIC已經成為許多嵌入式控制器的必備模塊�
10.定時器和PWM
定時器為系統(tǒng)提供定時功能，如�(xié)議的超時，串口速率的自動檢測等。PWM是脈沖寬度調制的縮寫，典型的應用之一為控制LCD背光的亮�。PWM脈沖一般基于定時器產生�
11.JTAG模塊
JTAG接口模塊的用途為在線調試、跟�、寄存器訪問。一方面JTAG模塊可以取代處理器訪問總線上的設備；另一方面，它可以與處理器的開�(fā)接口相連接，實�(xiàn)端點、單�、跟蹤等調試功能，這些是處理器調試所必需��
12.SPI接口模塊
SPI接口的作用為對LCD內部控制器芯�、基帶芯片等進行初始化�
13.UART模塊
實現(xiàn)RS232串口，多用于開發(fā)過程的調試，有時也用于數(shù)據輸�，如全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊的輸出就是通過串口�
14.PS/2接口模塊
連接鍵盤和鼠��
15.PCI Host模塊
PCI Host模塊實現(xiàn)PCI總線到片內總線的橋接功能，實�(xiàn)PCI主設備邏�，通過PCI Host模塊，DemoSoC可以連接到其他具有PCI接口的設�，如RTL8139C 10/100Mbps自適應以太網、ISP1561 480Mbps USB從設備等�
16.GPIO模塊
GPIO模塊是通用輸入輸出接口，可以連接鍵盤等慢速設備�
17.復位和時鐘模�
理想的復位邏輯是異步產生，同步取消，因而必須對輸入的復位信號進行處理，包括去抖動�。時鐘模塊將主時鐘進行合成后產生不同頻率的時鐘信號供不同的外設使用�
�1）SoC 具有以下幾方面的�(yōu)勢：
1.減少體積重量：數(shù)顆IC 整合為一顆SoC�，可有效縮小電路板上占用的面積，達到重量�、體積小的特�
2.降低用電功耗：隨電子產品向小型�、便攜化�(fā)展，對其省電需求將大幅提升，由于SoC 產品多采用內部訊號的傳輸，可以大幅降低功��
3.提高運行速度：隨著芯片內部信號傳遞距離的縮短，信號的傳輸效率將提�，而使產品性能有所提高�
4.豐富系統(tǒng)功能：隨微電子技術的�(fā)展，在相同的內部空間�，SoC 可整合更多的功能元件和組�，豐富系�(tǒng)功能�
5.節(jié)省投入成本：理論�，IP模塊的出�(xiàn)可以減少研發(fā)成本，降低研�(fā)時間，可適度節(jié)省成�。不過，在實際應用中，由于芯片結構的復雜性增�，也有可能導致測試成本增�，及生產成品率下降。雖�，使用基于IP 模塊的設計方法可以簡化系�(tǒng)設計，縮短設計時�
?�?）但隨著SoC 復雜性的提高和設計周期的進一步縮�，也為IP 模塊的重用帶來了許多問題�
1. 要將IP 模塊集成到SoC �，要求設計者完全理解復雜IP 模塊的功�、接口和電氣特�，如微處理器、存儲器控制�、總線仲裁器等�
2. 隨著系統(tǒng)的復雜性的提高，要得到完全吻合的時序也越來越困�。即使每個IP 模塊的布局是預先定義的，但把它們集成在一起仍會產生一些不可預見的問題，如噪聲，這些對系�(tǒng)的性能有很大的影響。IP 模塊的標準化可以在一定程度上解決上述問題。過�，各個芯片設計公�、IP 廠商和EDA 公司以自己內部的�(guī)范作為設計標�，但隨著SoC 設計的中心向用戶端的轉移，IP 模塊的廣泛使�，以及越來越多EDA 工具的出�(xiàn)，這些內部標準已經無法適應SoC 設計的需��
從技術層面上�，以下幾個方面推動了SoC 技術的�(fā)展：
1.計算機性能的大幅度提高，使很多復雜算法得以實現(xiàn)，為嵌入式系�(tǒng)輔助設計提供了物理基��
2.微電子技術的不斷�(chuàng)新和�(fā)�，大�(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 �1 微米）進入到深亞微米（小于0.5 微米�，和超深亞微米（小于0.25 微米�。其特點為：工藝特征尺寸越來越小、芯片尺寸越來越�、單片上的晶體管�(shù)越來越多、時鐘速度越來越快、電源電壓越來越�、布線層�(shù)越來越多、I/O 引線越來越多。這使得將包括的微處理�、存儲器、DSP和各種接口集成到一塊芯片中成為可能�
3.EDA（Electronic Design Automation� 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�(tǒng)設計提供了不同用途和不同級別的一體化開發(fā)集成�(huán)��
4.硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）的�(fā)展為電子系統(tǒng)設計提供了建立各種硬件模型的工作媒介。目�，比較流行的HDL 語言包括已成為IEEE STD1076 標準的VHDL、IEEE STD 1364 標準的Verilog HDL和Altera 公司企業(yè)標準的AHDL ��
片上系統(tǒng)是與其它技術并行發(fā)展的，如絕緣硅（SOI�，它可以提供增強的時鐘頻�，從而降低微芯片的功�。片上系�(tǒng)技術通常應用于小型的，日益復雜的客戶電子設備。例�，聲音檢測設備的片上系統(tǒng)是在單個芯片上為所有用戶提供包括音頻接收端、模�(shù)轉換器（ADC）、微處理�、必要的存儲器以及輸入輸出邏輯控制等設備�
在軍�、戰(zhàn)車、飛�、導彈和航天器中集成電路的成本分別占到總成本�22��24％�33��45％和66�。隨著通訊行業(yè)的迅猛發(fā)展和信息家電的迅速普�，迫使集成電路產商不斷發(fā)展IC 新品�，擴大IC �(guī)�，增強IC 性能，提高IC 的上市時間（Time to maeket），同時還需要實�(xiàn)品種的通用性和標準�，以利于批量生產，降低成�。據預測，SoC 銷售額將�2002 年的136億美�，增長到2007年的347億美�，年增長率超�20%�
由于空前絕后的高效集成性能，片上系�(tǒng)是替代集成電路的主要解決方案。SoC 已經成為當前微電子芯片發(fā)展的必然趨勢�
維庫電子�，電子知識，一查百��
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