SoC面世八年后的產(chǎn)業(yè)機遇

1 SoC基本情況
(1)什么是SoC
    20世紀(jì)90年代中期，因使用ASIC實現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完整計算機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)計重用的IP核組成，IP核是具有復(fù)雜系統(tǒng)功能的能夠獨立出售的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)計重用的效率非常高。
(2)硬核、軟核、固核
    IP核是可設(shè)計重用的核?！霸O(shè)計重用”是指在設(shè)計硬件版圖時予以重用，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際流片驗證的核。使用時，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序的驗證，其它的實現(xiàn)內(nèi)容及相關(guān)的測試驗證等事項均留待使用者來完成。因為后續(xù)的布局布線、功耗、幾何尺寸，優(yōu)化、工藝映射等等尚未進行，故用戶有最大的靈活性。
    ◆固核(firm core)，因所使用的設(shè)計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、有較短的上市時間、自己付出勞動盡量地少又并不在乎高價，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、時鐘電路、定時器、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)計重用IP核為基礎(chǔ)的SoC，存在設(shè)計和測試兩方面的難題。
    傳統(tǒng)的設(shè)計方法、測試開發(fā)等工具及其資源， 依然是開發(fā)SoC產(chǎn)品時的起步的參考。但是又必須與時俱進，必須充分考慮設(shè)計重用引發(fā)的諸多方法學(xué)、黑箱測試與驗證，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)計的新理論、協(xié)同設(shè)計新工具、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、可驗證性設(shè)計以及方便前述各項實施的新型EDA、高級設(shè)計驗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)，但是真正達到各個公司之間的共享知識產(chǎn)權(quán)， 決非一蹴而就的事。
    SoC的根本難點在于產(chǎn)品上市時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，到IC的加工等等都是獨家封閉地完成的，如Intel、Motorola、IBM等公司。隨著PC機的普及和技術(shù)的發(fā)展，IDM自己獨立地擴充或靳建生產(chǎn)線，不僅耗貿(mào)巨大而且時間上也來不及，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)計部門及器件銷售部門等等就泛稱為Fabless，實際應(yīng)是FablessIDM。它無對應(yīng)的合適中文名。
    20世紀(jì)90年代末，進入IP核為基礎(chǔ)的SoC時代，設(shè)計部門因技術(shù)復(fù)雜，任務(wù)又重，便又進一步重組， 留下系統(tǒng)設(shè)計部分而將IP核的設(shè)計部分實行外包?？梢灶A(yù)斷又將造就一批新興的IP設(shè)計眼務(wù)產(chǎn)業(yè)。進一步外包后的IDM所剩下的部分便叫做Chipless，實際應(yīng)是ChiplessIDM。它也無對應(yīng)的合適中文名。
    專門從事IP核設(shè)計的獨立產(chǎn)業(yè)，在20世紀(jì)80年代末實際已經(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)計的ARM公司獨執(zhí)本行業(yè)的牛首。
    有的專家預(yù)計， 隨著嵌入式產(chǎn)品競爭的進一步加劇，產(chǎn)品更新以季度為周期． 促使IDM們會進一步把剩下來的系統(tǒng)設(shè)計部門也狠心外包出去， 自己則新成立一個產(chǎn)品創(chuàng)意部門，依賴原有實力， 專門構(gòu)想實用新型和另類應(yīng)用產(chǎn)品，蛻化為概念設(shè)計部門。這時的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。如早期的計算器、早期的投幣售貨機和早期的鍵盤等。只因追求產(chǎn)品的靈活性，才發(fā)明了當(dāng)今運行軟件程序的微處理器為基礎(chǔ)的計算器。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?，F(xiàn)在所使用的PLD有兩個子類：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(計算機產(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（計算機產(chǎn)品）一第三代專用，軟件可編程，硬件不可配置；
    PSoC（計算機產(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：
    ①用設(shè)計重用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)實可用。
    ②PSoC著名廠商多具20多年堅實功底，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)達到單片上構(gòu)建多核DSP或多個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，同時也避免了SoC的IC設(shè)計和流片過程占用的時間。
    ④大幅度地縮短上市時間。
    ⑤經(jīng)濟實惠。
    不足之處：
    ①PSoC芯片上的資源不免會比SoC有所浪費。
    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類應(yīng)用。現(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：
    ①MCU-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：
    ①MES-51核是MCU的事實標(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。
    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多年實踐經(jīng)驗。
    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擴展塊有：2個I2C核、第二個UART、5通道PWM、USB、復(fù)位／監(jiān)控／看門狗等，補充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)十個廠家在更新和繼續(xù)生產(chǎn)。更新集中在六個方面，詳情請見文獻。
    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，因為具有宏單元，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，這部分可以與前項的CPLD合并使用。
    ⑨硬件的配置通過JTAG接口實現(xiàn)。無需另外的燒寫器。Flash的燒寫也同樣。
    ⑩使用獨立的1-Flash、2-Flash實現(xiàn)動態(tài)的IAP。更新軟件不必停止當(dāng)前程序運行。
    ⑾合理地配置存儲器的分頁，能實現(xiàn)比一般方法簡單得多的跨頁超大程序的運行?！　　?BR>    ⑿免費提供不用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，進入SoC領(lǐng)域挖金需要有計算機和微電子行業(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。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。投資瞄準(zhǔn)的方向應(yīng)是前途看好的、最先進的生產(chǎn)線。
    ◆IP設(shè)計服務(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)水平勉強并無真實的感悟者，恐怕不能冒然進入這樣的行業(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)計服務(wù)產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)前比較穩(wěn)健而又現(xiàn)實的業(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，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!