近10 年来，无论是消费类产品如电视、录像机，还是通信类产品如电话、网络设备，这些产品的核心部分都开始采用芯片作为它们的“功能中枢”，这一切都是以嵌入式系统技术得到飞速发展作为基础的。SoC (System on Chip，片上系统) 是ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。狭意些理解，可以将它翻译为“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义些理解，可以将它翻译为“系统芯片集成”，指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。
1.1 SoC
1.1.1 SoC 概述
SoC 最早出现在20 世纪90 年代中期，1994 年MOTOROLA 公司发布的Flex CoreTM 系统，用来制作基于68000TM 和Power PCTM 的定制微处理器。1995 年，LSILogic 公司为SONY 公司设计的SoC，可能是基于IP ( Intellectual Property)核进行SoC 设计的最早报道。由于SoC 可以利用已有的设计，显著地提高设计效率，因此发展非常迅速。SoC 是市场和技术共同推动的结果。从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提高。计算机、通信、消费类电子产品及军事等领域都需要集成电路。
例如，在军舰、战车、飞机、导弹和航天器中集成电路的成本分别占到总成本SOC 设计初级培训（Altera 篇）22％、24％、33％、45％和66％。随着通讯行业的迅猛发展和信息家电的迅速普及，迫使集成电路产商不断发展IC 新品种，扩大IC 规模，增强IC 性能，提高IC 的上市时间(Time to maeket) ，同时还需要实现品种的通用性和标准化，以利于批量生产，降低成本。据预测，SoC 销售额将从2002 年的136亿美元，增长到2007 年的347 亿美元，年增长率超过20%。
从技术层面上看，以下几个方面推动了SoC 技术的发展：
(1) 微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，已从亚微米(0.5 到1 微米)进入到深亚微米(小于0.5 微米)，和超深亚微米(小于0.25 微米)。其特点为：工艺特征尺寸越来越小、芯片尺寸越来越大、单片上的晶体管数越来越多、时钟速度越来越快、电源电压越来越低、布线层数越来越多、I/O 引线越来越多。这使得将包括的微处理器、存储器、DSP和各种接口集成到一块芯片中成为可能。
(2) 计算机性能的大幅度提高，使很多复杂算法得以实现，为嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。
(3) EDA(Electronic Design Automation，采用CAD 技术进行电子系统和专用集成电路设计) 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别的一体化开发集成环境。
(4) 硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)的发展为电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。目前，比较流行的HDL 语言包括已成为IEEE STD1076 标准的VHDL、IEEE STD 1364 标准的Verilog HDL和Altera 公司企业标准的AHDL 等。

1.1.2 IP 复用技术
SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。
SoC 芯片需要集成一个复杂的系统，这导致了它具有比较复杂的结构，如果是从头开始完成芯片设计，显然将花费大量的人力物力。另外，现在电子产品的生命期正在不断缩短，这要求芯片的设计可以在更短的周期内完成。为了加快SoC 芯片设计的速度，人们将已有的IC 电路以模块的形式，在SoC 芯片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间，提高设计效率。这些可以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模块（或者系统宏单元、芯核、虚拟器件）。
IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有3 种不同形式：软IP 核(soft IP core)、固IP 核(firm IP core)和硬IP 核(hard IP core)。
1．软IP 核
软IP 核主要是基于IP 模块功能的描述。它在抽象的较高层次上对IP 的功能进行描述，并且已经过行为级设计优化和功能验证。它通常以HDL 文档的形式提交给用户，文档中一般包括逻辑描述、网表，以及一些可以用于测试，但不能物理实现的文件。使用软IP，用户可以综合出正确的门电路级网表，进行后续结构设计，并借助EDA 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，设计出需要的器件。虽然，软IP 的灵活性大，可移植性好，但同硬IP 相比，因为它不含有任何具体的物理信息，所以如果后续设计不当，很可能导致设计失败。另外，后续的布局布线工作也将花费大量的时间。
2．硬IP 核
硬IP 核主要是基于IP 模块物理结构的描述。它提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿
来就用的全套技术。其优点为，完成了全部的前端和后端设计，已有固定的电路布局局和具体工艺，可以确保性能，并缩短SoC 的设计时间。但因为其电路布局和工艺是固定的，同时也导致了灵活性较差，难以移植到不同的加工工艺。
3．固IP 核
固IP 核主要是基于IP 模块结构的描述，可以理解为介于硬IP 和软IP 之间的IP 核。固IP 一般以门电路级网表和对应具体工艺网表的混合形式提交用户使用。以便用户根据需要进行修改，使它适合某种可实现的工艺流程。近年来电子产品的更新换代周期不断缩短，而系统芯片的复杂程度却在增长，为了缓和这一矛盾，SoC 设计普遍采用基于IP 模块的设计方法。因为IP
模块是预先设计好的，并通过了验证，设计者可以把注意力集中于整个系统，而不必考虑各个模块的正确性和性能，这除了能缩短SoC 芯片设计的时间外，还能降低设计和制造成本，提高可靠性。IP 重用技术使芯片设计从以硬件为中心，逐渐转向以软件为中心，从门级的设计，转向IP 模块和IP 接口级的设计。
构建一个系统是个复杂的过程，实际应用中，设计者往往到设计的后期才可以明确软件和硬件要实现的功能，系统要达到的性能等具体指标。而这些指标又实际决定了该选择哪个IP 模块。当然，不是所需要的IP 内核模块都可以从市场上买得到，为了垄断市场，一些公司开发出来的关键IP 内核模块是不愿意授权转让的。像这样的IP 内核模块就只有自己组织力量来开发了。

1.1.3 SoC 技术的优缺点
SoC 具有以下几方面的优势。

(1) 降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其省电需求将大幅提升，由于SoC 产品多采用内部讯号的传输，可以大幅降低功耗。
(2) 减少体积：数颗IC 整合为一颗SoC 后，可有效缩小电路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。
(3) 丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，SoC 可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。
(4) 提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升，而使产品性能有所提高。
(5) 节省成本：理论上，IP 模块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增加，及生产成品率下降。虽然，使用基于IP 模块的设计方法可以简化系统设计，缩短设计时间，但随着SoC 复杂性的提高和设计周期的进一步缩短，也为IP 模块的重用带来了许多问题：
(1) 要将IP 模块集成到SoC 中，要求设计者完全理解复杂IP 模块的功能、接口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等。
(2) 随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难。即使每个IP 模块的布局是预先定义的，但把它们集成在一起仍会产生一些不可预见的问题，如噪声，这些对系统的性能有很大的影响。IP 模块的标准化可以在一定程度上解决上述问题。过去，各个芯片设计公司、IP 厂商和EDA 公司以自己内部的规范作为设计标准，但随着SoC 设计的中心向用户端的转移，IP 模块的广泛使用，以及越来越多EDA 工具的出现，这些内部标准已经无法适应SoC 设计的需要。为了解决IP 模块的接口和通信协议问题，SoC 的主要供应商开发了自己的SoC 片上总线结构标准，如IBM 的Core Connect 和ARM 的AMBA，这些
总线结构通常与一个处理器体系结构相关联，如PowerPC 或ARM。对公共通信原理、公共设计格式以及设计质量测量和保证的统一方法的需求推动了SoC 标准化的发展。所以，国际上出现了多个类似VSIA 这样的SoC标准化组织，VSIA 于1996 年成立，目前有200 多个成员，其目标是建立统一的系统级芯片业的目标和技术标准，通过规定开放标准，方便不同IP 模块
的集成。
1.1.4 嵌入式系统设计方法
常见嵌入式系统经常采用以下3 种设计方法。
1．使用PCB CAD 软件和在线仿真器（ICE）
这种方法主要如下：
(1) 根据嵌入式应用系统要实现的功能要求，对系统功能细化，分成若干功能模块，画出系统功能框图，再对功能模块进行硬件和软件功能实现的分配。
(2) 硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合，经过功能检验和性能测试后，找到相对优化的方案，画出电路原理图。接着，使用印制板(PCB)计算机辅助设计(CAD)软件对系统的元器件进行布局和布线，印制板加工、装配和硬件调试。
(3) 软件设计贯穿了整个系统的设计过程，包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试，最有效的调试工具就是在线仿真器。
2. 使用EDA 工具软件和EOS 为开发平台
随着半定制逻辑器件技术经历了可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL、复杂可编程逻辑器件CPLD 和现场可编程门阵列FPGA 的发展过程，器件的集成度和性能不断提高。使用这些半定制器件，设计人员可以把原先要用印制板线路互连的若干标准逻辑器件自制成专用集成电路(ASIC)，这样，不但可以降低系统综合成本、提高系统性能，而且还不需要设计人员精通半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识。
使用该方法，设计人员从选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向使用EDA 工具软件自己设计和制作需要的集成电路器件。然后通过自下而上的设计方法，把自制的集成电路、可编程外围器件与嵌入式微处理器或微控制器在印制板上布局、布线构成系统。
3．使用SoC 的设计技术
SoC 的设计技术，是从“集成电路”级设计到“集成系统”级设计转变的结果。其设计是从整个系统性能出发，把微处理器、模型算法、外围器件乃至器件的设计紧密结合起来，并通过系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。当然，实际应用时，不是所有的系统都能在一个芯片上实现的，也许要使用几个芯片。SoC 设计的基础就是通过授权，使用成熟优化的IP 内核模块来进行设计集成和二次开发，提高系统设计周期和可靠性。总的来说，购买IP 内核模块不仅可以降低开发风险，还能节省开发费用。这3 种设计方法各有各的应用范围。一般，前2 种方法多是用来设计较为简单的应用系统，而复杂的系统则多采用第3 种方法。
1.1.5 简单设计流程
用SoC 技术设计系统芯片，一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为SOC 设计初级培训（Altera 篇）两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。芯片硬件设计包括：
1．功能设计阶段。
设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于SOC 内，哪些功能可以设计在电路板上。
2．设计描述和行为级验证
能设计完成后，可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP 核。此阶段将接影响了SOC 内部的架构及各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证（function simulation，或行为验证 behavioral simulation）。
注意，这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，但无法获得精确的结果。
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