摘要：本文討論SOC和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展；介紹SOC的基本技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用概念；分析作為IP家庭重要成員的單片機(jī)在SOC應(yīng)用設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)。通過討論指出以嵌入技術(shù)為基礎(chǔ)，單片機(jī)再次成為現(xiàn)代電子應(yīng)用技術(shù)的核心之一，為SOC應(yīng)用技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵字：SOC；單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)
引言
現(xiàn)場電子技術(shù)應(yīng)用中包含了硬件（HW）、硬件加軟件（HW+SW）、固件（FW）3個層次。這3個層次也可以說是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的3人發(fā)展階段。自1997年以來，電子技術(shù)應(yīng)用又增加了一個新的層次??片上系統(tǒng)（SOC）層次。SOC技術(shù)概念和應(yīng)用技術(shù)層次的出現(xiàn)，標(biāo)志著現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入了SOC階段。
從各個發(fā)展階段看，自HW+SW階段開始，電子技術(shù)應(yīng)用就與單片機(jī)緊密地聯(lián)系在一起。在FW階段，作為固件系統(tǒng)的重要核心技術(shù)，單片機(jī)又以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，再次成為現(xiàn)代電子應(yīng)用技術(shù)的核心技術(shù)之一，并為SOC應(yīng)用技術(shù)提供了緊實(shí)的基礎(chǔ)。
SOC為各種應(yīng)用提供了一個新的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這種新的電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)促使工業(yè)界在近3年中發(fā)生了巨大的變化，為信息技術(shù)的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機(jī)技術(shù)提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。
本文根據(jù)幾年來對SOC技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的研究，對SOC的基本技術(shù)概念以及單片機(jī)與SOC技術(shù)的關(guān)系進(jìn)行了討論，指出了SOC中單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)。
一、SOC技術(shù)與應(yīng)用概念
所謂SOC技術(shù)，是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，除了那些無法集成的外部電路或機(jī)械部分以外，其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。
1.系統(tǒng)功能集成是SOC的核心技術(shù)
在傳統(tǒng)的應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，須要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的功能模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合，即根據(jù)設(shè)計(jì)要求的功能，尋找相應(yīng)的集成電路，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)所選電路的連接形式和參數(shù)。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果是一個以功能集成電路為基礎(chǔ)，器件分布式的應(yīng)用電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)結(jié)果能否滿足設(shè)計(jì)要求不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數(shù)，而且與整個系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性有關(guān)。同時， 對于須要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的系統(tǒng)，往往還須要有單片機(jī)等參與，所以，還必須考慮分布式系統(tǒng)對電路固件特性的影響。很明顯，傳統(tǒng)應(yīng)用電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，采用的是分布功能綜合技術(shù)。
對于SOC來說，應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是根據(jù)功能和參數(shù)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)方法有著本質(zhì)的差別。SOC不是以功能電路為基礎(chǔ)的分布式系統(tǒng)綜合技術(shù)。而是以功能IP為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實(shí)現(xiàn)不再針對功能電路進(jìn)行綜合，而是針對系統(tǒng)整體固件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行電路綜合，也就是利用IP技術(shù)對系統(tǒng)整體進(jìn)行電路結(jié)合。其次，電路設(shè)計(jì)的最終結(jié)果與IP功能模塊和固件特性有關(guān)，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術(shù)基本無關(guān)。因此，使設(shè)計(jì)結(jié)果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設(shè)計(jì)的結(jié)果十分接近理想設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2.固件集成是SOC的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思想
在傳統(tǒng)分布式綜合設(shè)計(jì)技術(shù)中，系統(tǒng)的固件特性往往難以達(dá)到最優(yōu)，原因是所使用的是分布式功能綜合技術(shù)。一般情況下，功能集成電路為了滿足盡可能多的使用面，必須考慮兩個設(shè)計(jì)目標(biāo)：一個是能滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的功能控制要求目標(biāo)；另一個是要考慮滿足較大范圍應(yīng)用功能和技術(shù)指標(biāo)。因此，功能集成電路（也就是定制式集成電路）必須在I/O和控制方面附加若干電路，以使一般用戶能得到盡可能多的開發(fā)性能。但是，定制式電路設(shè)計(jì)的應(yīng)用電子系統(tǒng)不易達(dá)到最佳，特別是固件特性更是具有相當(dāng)大的分散性。
對于SOC來說，從SOC的核心技術(shù)可以看出，使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用電子系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想就是實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的固件集成。用戶只須根據(jù)需要選擇并改進(jìn)各部分模塊和嵌入結(jié)構(gòu)，就能實(shí)現(xiàn)充分優(yōu)化的固件特性，而不必花時間熟悉定制電路的開發(fā)技術(shù)。固件基礎(chǔ)的突發(fā)優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)能更接近理想系統(tǒng)，更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。
3.嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結(jié)構(gòu)
在使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用電子系統(tǒng)中，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式結(jié)構(gòu)。各種嵌入結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)十分簡單，只要根據(jù)系統(tǒng)需要選擇相應(yīng)的內(nèi)核，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇之相配合的IP模塊，就可以完成整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。尤其是采用智能化電路綜合技術(shù)時，可以更充分地實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的固件特性，使系統(tǒng)更加接近理想設(shè)計(jì)要求。必須指出，SOC的這種嵌入式結(jié)構(gòu)可以大大地縮短應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)周期。
4.IP是SOC的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
傳統(tǒng)應(yīng)用電子設(shè)計(jì)工程師面對的是各種定制式集成電路，而使用SOC技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面對的是一個巨大的IP庫，所有設(shè)計(jì)工作都是以IP模塊為基礎(chǔ)。SOC技術(shù)使應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師變成了一個面向應(yīng)用的電子器件設(shè)計(jì)工程師。由此可見，SOC是以IP模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)技術(shù)，IP是SOC應(yīng)用的基礎(chǔ)。
5.SOC技術(shù)中的不同階段
用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用電子系統(tǒng)的幾個階段如圖1所示。在功能設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者必須充分考慮系統(tǒng)的固件特性，并利用固件特性進(jìn)行綜合功能設(shè)計(jì)。當(dāng)功能設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)入IP綜合階段。IP綜合階段的任務(wù)利用強(qiáng)大的IP庫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能I。P結(jié)合結(jié)束后，首先進(jìn)行功能仿真，以檢查是否實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求。功能仿真通過后，就是電路仿真，目的是檢查IP模塊組成的電路能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能并達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)的最后階段是對制造好的SOC產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的測試，以便調(diào)整各種技術(shù)參數(shù)，確定應(yīng)用參數(shù)。
二、SOC的應(yīng)用概念
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的重要特點(diǎn)之一，就是技術(shù)多樣性、智能多變性和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)性。所謂技術(shù)多樣性，就是實(shí)現(xiàn)同一個應(yīng)用電子系統(tǒng)可以有許多不同的設(shè)計(jì)方案供選擇；而不同的設(shè)計(jì)方案就意味著必須使用不同的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)。所謂知識多變性，是指在現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的基礎(chǔ)理論和方法隨著新知識的出現(xiàn)不斷地在變化。這種變化不僅使應(yīng)用電子系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)發(fā)生變化，甚至改變了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。
隨著現(xiàn)代信息和電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域提出了各種特殊要求。例如，航空航天領(lǐng)域要求的小體積大系統(tǒng)，信息應(yīng)用領(lǐng)域提出的個性化等要求，都使得一般固件技術(shù)難以勝任。特別是在民用領(lǐng)域，重視個性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念使應(yīng)用電子產(chǎn)品的更新速度極快，而且小批量多品種的要求也越來越高。這就是提出了小批量產(chǎn)品與成本、集成化與成本、產(chǎn)品研制周期與成本等一系列的問題。
SOC正是成為滿足現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的要求而產(chǎn)生的現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，只有大批量的產(chǎn)品才有集成的可能，才具有價格競爭優(yōu)勢。因此，到目前為止，大多數(shù)小批量產(chǎn)品，特別是研究性質(zhì)的應(yīng)用電子系統(tǒng)，一般都采用HW，HW+SW或FW技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但隨著SOC的出現(xiàn)、發(fā)展和成熟，這種現(xiàn)狀已經(jīng)發(fā)生極大的變化。SOC為現(xiàn)代電子工程師提供了一個快捷經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使那么傳統(tǒng)觀念上認(rèn)為高性能、高復(fù)雜度、高成本的嵌入式結(jié)構(gòu)，能夠通過低成本的單片芯片實(shí)現(xiàn)。
1.SOC的設(shè)計(jì)觀念
SOC的設(shè)計(jì)觀念與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念完全不同。在SOC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者面對的不再是電路芯片；而是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的IP模塊庫。設(shè)計(jì)者不必要在眾多的模塊電路中搜索所須要的電路芯片，只需要根據(jù)設(shè)計(jì)功能和固件特性，選擇相應(yīng)的IP模塊。這種電路的設(shè)計(jì)技術(shù)和綜合方法，基本上消除了器件信息障礙，因?yàn)槊恳粋€應(yīng)用設(shè)計(jì)都是一個專用的集成系統(tǒng)，都是一個專用的集成電路。換句話說，SOC的設(shè)計(jì)觀念是“設(shè)計(jì)自己的專用集成電路”。從某種意義上講，就是把用戶變成了集成電路制造商。
2.高效便利的設(shè)計(jì)工具
由于IP是SOC的基礎(chǔ)，所以，必須采用相應(yīng)的EDA軟件才能完成設(shè)計(jì)技術(shù)。如果沒有高效便利的設(shè)計(jì)工具，SOC設(shè)計(jì)就是一句空話。實(shí)際上，傳統(tǒng)應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作對EDA和其他相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件并沒很高的要求，只要求能提供相應(yīng)的便利條件；而SOC設(shè)計(jì)則必須建立在EDA基礎(chǔ)之上。例如，使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)一個智能溫度控制系統(tǒng)，由于整個系統(tǒng)集成在一個芯片中，用戶就必須能對其中的CPU核、存儲器、A/D、模擬放大器等電路進(jìn)行綜合仿真，顯然，必須要有一個高效便利的EDA工具才能完成這些工作。
三、SOC技術(shù)中的單片機(jī)
單片機(jī)現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中的主流技術(shù)，特別是在工業(yè)和民用的獨(dú)立電子系統(tǒng)中，單片機(jī)起著系統(tǒng)核心的作用。由于單片機(jī)系統(tǒng)特有的固件特性，使單片機(jī)在SOC技術(shù)中占有重要的地位。
1.SOC中的單片機(jī)嵌入技術(shù)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)形成了常用的、獨(dú)特的嵌入式結(jié)構(gòu)。如不同系列的單片機(jī)，都是通過嵌入不同的CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機(jī)已經(jīng)成為CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機(jī)已經(jīng)成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結(jié)構(gòu)正是SOC的一種重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法。
用SOC設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)嵌入式結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)者提供了現(xiàn)有技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越條件。設(shè)計(jì)者必在選擇單片機(jī)的型號上下功夫；只須要根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的固件特性和功能要求，選擇相應(yīng)的單片機(jī)CPU內(nèi)核，再根據(jù)需要選擇其他的IP模塊，就可以實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)。從某種意義上看，SOC為單片機(jī)應(yīng)用提供了更廣闊的應(yīng)用技術(shù)，并賦予了單片機(jī)更強(qiáng)大的生命力。試想，如果整個SOC目標(biāo)系統(tǒng)的核心是一個單片機(jī)CPU，那么，這個系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功之后就不僅是真正意義上的單片機(jī)，而且還實(shí)現(xiàn)了真正的系統(tǒng)單片機(jī)。這正是單片機(jī)強(qiáng)大生命力的根源。
2.SOC中單片機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化
目前在單片機(jī)應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分實(shí)際上并不能叫做單片機(jī)。因?yàn)樵S多應(yīng)用中需要形成單片機(jī)的外部系統(tǒng)總線。因此，單片機(jī)資源的充分利用和避免形成外部總線，往往是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的主要追求目標(biāo)。換句話說，優(yōu)化問題是單片機(jī)應(yīng)用中的一個重要問題。
例如，設(shè)計(jì)一個具有多個傳感器的測試系統(tǒng)，往往須要根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的外部總線，應(yīng)用系統(tǒng)由此而龐大。采用SOC技術(shù)后，系統(tǒng)不再需要外部總線，所選用單片機(jī)中不需要的資源也可以去除掉，只保留所需要的CPU等功能模塊。這兩種設(shè)計(jì)方法的方框圖如圖2所示。
從圖2中可以看出，設(shè)計(jì)人員不必為如何最大限度地利用單片機(jī)資源而發(fā)愁，可以根據(jù)自己的需要選擇所需的電路，并與所熟悉單片機(jī)的CPU內(nèi)核相結(jié)合。同時還把現(xiàn)有技術(shù)需要精密調(diào)整的前置電路（模擬信號處理部分）也全部安放在一塊芯片中，從而避免了大量的PCB板調(diào)試工作。從“單片機(jī)必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單片化”的角度看，這種系統(tǒng)正是用戶自己設(shè)計(jì)的專用單片機(jī)系統(tǒng)，而且是一個能實(shí)現(xiàn)全部系統(tǒng)功能的優(yōu)化系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的調(diào)試、測試方法與傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)完全不同，已經(jīng)成為一個能處理模塊-數(shù)字混合信號的全新系統(tǒng)。因此，SOC技術(shù)使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高層次上的集成。
概括地說，SOC使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，這個變化就是應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，從選擇廠家提供的定制產(chǎn)品時代進(jìn)入了用戶自行開發(fā)設(shè)計(jì)器件的時代。這標(biāo)志著單片機(jī)應(yīng)用的歷史性變化，一個全新的單片機(jī)應(yīng)用時代已經(jīng)到來。
結(jié)束語
SOC成為新一代應(yīng)用電子技術(shù)的核心已經(jīng)成為不爭的事實(shí)，這不僅是電子技術(shù)本身的革命性標(biāo)志，也是電子技術(shù)應(yīng)用的重大歷史變化。SOC并不是憑空產(chǎn)生的；而是幾十年應(yīng)用技術(shù)積累和電子技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，IP是SOC的基礎(chǔ)就是有利的證明。
作為IP家庭中的一個重要分支，單片機(jī)應(yīng)用也從定制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展成為SOC嵌入式應(yīng)用技術(shù)。這對單片機(jī)應(yīng)用工程師來說，不僅是用戶技術(shù)發(fā)生了重大變化，更主要的是應(yīng)用工程師面臨著新的挑戰(zhàn)。同時，SOC也向單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)展示了更為廣闊的發(fā)展前景。
