以SoC为中心的多学科融合与渗透

2006-05-07 16:39:55来源: 互联网

 

摘要:SoC是多个学科追求的目标。文中围绕SoC的学科交叉情况、各学科的渗透与交融,提出单片机应用系统设计部门如何为SoC化作好技术准备,微电子技术如何从半导体领域走向对象领域;探讨我国MCU嵌入式应用SoC化面临的问题。

关键词:SoC 多学科融合 嵌入式应用

  SoC(System on Chip)是指以嵌入式系统为核心,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成器件,是目前嵌入式应用领域的热门话题。电子产品设计工程师、微电子IC设计工程师、计算机专业人士都在议论与研究。SoC的成功实现了要求多学科的协作与融合。

一、 SoC的多学科交叉

  图1展现了以SoC为中心,多学科交融、渗透的关系。SoC是微电子学科、电子系统设计追求的目标。计算机学科全力加速这一目标的实现,电子设计自动化则以半定制方式实现SoC或为微电子IC设计的SoC解决方案做前期准备工作。


图1


  1. SoC是微电子领域IC设计的最终目标
  IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成,直到今天基于计算机软硬件的知识集成,其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去,力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现,以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统,而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。
  2. SoC是现代电子系统的最佳选择
  嵌入式系统,特别是MCU的出现与普及,使传统电子系统全面进入了现代电子系统。作为电子系统追求的目标就是最大限度地简化电路设计,并获得整体产品系统的可靠性、精度、稳定性等品质指标。SoC将电路系统设计的可靠性、低功耗性等都解决在IC设计之中,把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决。系统设计工程师可集中精力研究对象领域中的诸问题。SoC是现代电子系统设计的最佳选择。
  3. SoC软件平台的计算机专业介入
  早期的嵌入式计算机系统应用完全依赖计算机专业人员,而单片机出现后,则以裸机形式抛给了对象应用领域的电子系统设计人员。在传统电路设计基础上,系统设计人员很快地掌握了嵌入式系统及外围接口电路设计。然而,基于汇编语言的应用程序设计则形成了随意性设计模式。在产品硬件电路走向SoC时代,突出了软件开发的比重后,对象领域系统设计人员有力不从心之感。要大力提高单片机领域中应用软件设计水平,必须有计算机专业人士介入,提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。
  4. 电子设计自动化为SoC另辟蹊径
  在MCU推出稍后,IC设计推出了半定制的ASIC解决办法,这就是各种类型的可编程逻辑器件。中期的可编程逻辑器件是作为MCU应用系统的一种补充手段,即非标准电路的替代性设计。随着超大规模逻辑器件及逻辑设计语言的发展,FPGA、EPLD便成为SoC半定制设计或全定制ASIC前期设计的一种手段。

二、 SoC使微电子从半导体领域 走向对象领域

  1. IC从电路集成到知识集成
  相当长的时间内,IC设计从事于基础的模拟电路与数字电路集成,IC设计的重点在半导体物理与半导体工艺领域。IC设计进入功能集成、技术集成后,要解决许多对象领域的技术内容,如数据采集系统IC要解决宽量程输入的增益控制、非线性修正、零点校准、动态信号采样/保持等;进入SoC后,在硬件体系中,除了考虑基本功能电路外,还必须考虑为满足可靠性、控制、低功耗管理要求的电路配置,还须有应用软件的嵌入。这就要求IC设计队伍与对象领域、计算机专业领域的融合。
  2. SoC是微电子部门的主体产业
  SoC虽然是多学科的融合,但主体在微电子产业部门。这是因为SoC是集成电路从电路集成、功能集成、技术集成到知识集成逐步发展的结果。除了SoC的功能性设计必须依赖对象领域外,系统的可靠性设计、功耗管理设计等许多原先是系统设计中必须考虑的问题,在超大规模集成电路以及后期的MCU设计中都得到了综合的解决。
  3. SoC使IC设计走上综合技术设计之路
  SoC使系统以集成形态直接推向产品系统化设计,最终电子产品设计人员不再介入系统电路设计。这样一来,原有的IC产业设计部门应有通晓对象领域要求的专家介入。由于SoC的柔性特性,SoC硬件中要解决的并非单个产品系统中的特殊问题。SoC趋于通用化的产品系统解决,有利于以微电子部门为主体的解决。

三、 单片机应用系统SoC化的技术准备

  1. 从SSN设计走向平台模式
  立即从随意性的软、硬件设计方法转入标准化、系统化、规范化(SSN)设计中,并按照MCU应用系统的柔性特征建立起平台模式的开发平台及标准软、硬件库。只有这样才能与微电子SoC发展相接轨。
  2. 创建为SoC服务的集成知识设计
  我国单片机应用领域10多年来的应用开发历程,积累了丰富的嵌入式应用设计的硬件、软件成果。这些成果对于SoC的软、硬件设计以及SoC的嵌入式应用设计十分有用。如果说SoC微电子设计体现了产品系统软、硬件的知识集成设计,那么,嵌入式应用领域向SoC发展的一项重要任务便是为满足SoC要求的集成知识设计。例如,为SoC设计CAN BUS接口时,产品系统设计人员应向IC设计人员提供满足对象应用要求的CAN BUS基础电路、硬件描述以及为满足现场总线通信、控制要求的通用实时操作软件等集成知识设计服务。
  3. 加强SoC的应用设计
  不论SoC如何发展,SoC仍会保持其单芯片形态和柔性特征。SoC与产品系统还有不少距离,还会有一些面向对象领域的外围电路设计和应用程序设计,重点则转向在满足对象功能要求基础上的环境工程、人机工程、产品工程设计。SoC的实现使原有电子系统设计人员能集中精力深入对象领域,使SoC的最终产品系统能充分满足人们的需求。SoC应用设计的另一方面是为SoC产业部门配置厂家平台。厂家平台包括SoC中所有资源的通用软件、参考设计、I/O驱动程序等。
  4. 加强软件开发能力
  SoC的出现,大大简化了产品的硬件系统设计。SoC的柔性特性将使许多产品功能要求通过软件解决。过去单片机应用系统设计中的软、硬件并重的局面可能消失,软件设计的比重会加大。随着SoC及其OEM硬件供应,许多产品的研发将集中在软件开发上。要在熟悉汇编语言的基础上普及高级语言程序设计能力,在条件许可的情况下尽量采用结构化的商用嵌入式操作系统和应用软件平台,从根本上杜绝随意性的汇编语言程序设计。
  5. 熟悉半定制ASIC的EDA方法
  通过半定制可编程逻辑器件EPLD/FPGA,用硬件描述语言来实现SoC也是一条十分有效的途径。通过逻辑器件实现的SoC通常都是由硬件直接实现功能操作,实时性好。除了直接实现SoC外,通过半定制器件、EDA方法,还可为IC设计提供虚拟SoC的设计、模拟仿真,完成SoC全定制集成电路设计的前期工作。

四、计算机专业人员进入嵌入式应用主战场

  长期以来我国嵌入式应用大量是MCU的各种应用系统设计,从业人员绝大多数是非计算机专业人士。随着嵌入式应用软件工作的加重,中、高档应用比例的加大,许多关键技术已转入到计算机专业领域,如嵌入式开发平台、嵌入式操作系统、电子设计自动化等。没有计算机专业人士的介入,无法提高我国嵌入式应用水平。目前,由于嵌入式应用的巨大市场需求已吸引了众多的计算机专业人士参与,在许多大、中型嵌入式应用领域中发挥了重要作用。在中小型,特别是小型的MCU嵌入式应用领域中,也须借助计算机专业技术与方法来提高嵌入式应用水平。
  (1) 建立MCU嵌入式应用系统标准化、系列化、规范化(SSN)软件设计体系。
  (2) 迅速普及高级语言程序。研制为MCU使用的C编译器及其开发环境。
  (3) 为中小型MCU厂家建立厂家平台,为产品系统设计提供最完善的解决办法和最接近产品系统的软、硬件基础平台。

五、我国MCU嵌入式应用SoC化面临的问题

  MCU多作为底层的嵌入式应用。长期以来,我国MCU嵌入式应用与SoC要求相差甚远。
  (1) 人力分散、项目分散、低水平重复、投资强度低,无法适应SoC的投资和应用的相对集聚化要求。
  (2) 技术准备不足。SSN设计水平不高,软硬件平台化观念差。
  (3) 相邻学科交流少。

结束语

  1. 未来SoC是嵌入式应用的主要形态,是各相关学科的交汇点,只有实现这些学科的相互交融才能实现SoC技术的飞跃。
  2. 在每个SoC相关学科领域中,注意吸收与培养其他学科领域人才,改变学科队伍的组成。
  3. 组织跨学科的SoC综合技术研讨会,沟通观念、信息与技术。
  4. 培养SoC的跨学科人才。MES

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