片上系统或SoC是一种集成电路,它包含了计算机上的大多数组件。顾名思义,它是在硅芯片上组装的整个系统。SoC的美妙之处在于它将所有的组件集成在一个基底上。在半导体中,基板是用来制造集成电路的硅薄膜。与传统主板相比,SoC将可更换的组件集成到单个芯片上,从而减小了尺寸并提高了效率。
除了集成电路外,SoC还包括用于集成的软件和互连结构。硬件-软件集成的方法使SoC的尺寸更小,允许更低的功耗,比标准的多芯片系统更可靠。
SoC的组成
soc可以被识别为以下类型:围绕微控制器构建,围绕微处理器构建,为特定应用构建,以及可编程soc (PSoC)。SoC的组成部分包括处理器、主、次内存存储和输入/输出端口。其他重要组件包括图形处理器单元(GPU)、WiFi模块、数字信号处理器(DSP)和各种外围设备,如USB、以太网、SPI(串行外围接口)、ADC、DAC,甚至fpga。通常,它有多个内核。根据不同的决定因素和偏好,核心可以是微控制器,微处理器,DSP,甚至ASIP(应用特定指令集处理器)。asip具有基于特定应用程序的指令集。通常,soc使用ARM体系结构,这是RISC(简化指令集计算)的一个家族,它需要较少的数字设计,因此使其与嵌入式系统兼容。ARM架构比8051这样的处理器更节能,因为与使用CISC架构的处理器相比,使用RISC架构的处理器需要更少的晶体管。这也减少了散热和成本。
下图显示了一个SoC框图示例。
处理器
SoC的核心是处理器。它通常有多个处理器核心。多核允许不同的进程同时运行,这提高了系统的速度,因为它使您的计算机能够同时执行多个操作。基本上,操作系统将多个核视为多个cpu,这提高了性能。由于多个核心安装在同一个芯片上,延迟更小,这是因为核心之间的通信更快。多核系统只有一个具有多个核的CPU插座。例如,下面的系统有四个核心和一个插座。
由于超线程的存在,对于操作系统来说,单核是两个逻辑单元。超线程允许在两个cpu之间共享物理资源。
数字信号处理器(DSP)
数字信号处理器(DSP)是一种针对数字信号处理操作进行优化的芯片。这包括传感器、执行器、数据处理和数据分析的操作。它可以用于图像解码。DSP的使用为其他处理任务节省了CPU周期,从而提高了性能。专用dsp更节能,这使得它们适合在soc中使用。用于DSP核心的指令集是SIMD(单指令,多数据)和VLIW(超长指令字)。这种体系结构的使用允许并行处理指令和超标量执行。dsp用于执行快速傅里叶变换、卷积、乘法-累积等操作。
SoC上的内存
soc有基于应用程序的内存。存储器是用于计算的半导体存储器块。半导体存储器通常是指金属氧化物半导体存储器电池,它是在单个硅芯片上制造的。记忆的类型有:
- 易失性存储器:关机后数据丢失的存储器。换句话说,它们需要一个恒定的电源来保存信息。易失性存储器更快、更便宜,这就是为什么它们经常被选择。
RAM是一种易失性存储器。最常用的RAM是SRAM(静态RAM)和DRAM(动态RAM)。SRAM由由1、3或6个晶体管(mosfet)组成的存储单元组成。相比之下,DRAM只有一个MOSFET和一个电容,根据FET的状态进行充放电。然而,DRAM容易产生电容漏电流。DRAM的一个显著优势是它比SRAM便宜。如果SoC有缓存层次结构,则SRAM用于缓存,DRAM用于主存。这是因为与主内存相比,缓存需要更快的内存类型。
也有为非易失性函数设计的RAM类型。它们分别是:FRAM(铁电RAM)、MRAM(磁阻随机存取存储器)(以磁性状态存储数据)、PRAM(参数随机存取存储器)(用于在Macintosh计算机上存储系统设置,包括显示和时区设置)。除此之外,还有RRAM(电阻式随机存取存储器),它有一个叫做忆阻器的组件。忆阻是其电压随外加电压而变化的电阻器。
- 非易失性记忆:即使在没有电源的情况下也能保留信息的记忆。只读存储器(只读存储器)是一种非易失性存储器。ROM的类型包括EPROM(可擦可编程只读存储器),它是一组浮门晶体管。UVROM(紫外线可擦可编程只读存储器),使用紫外线擦除,用数据重新编程,EEPROM(电可擦可编程ROM)和闪存。
选择的内存类型取决于设计规范和应用程序。
主要生产半导体存储器的公司有美光科技、英特尔公司和西部数据。
片上通信
传统上,总线架构用于SoC执行单元之间的通信。然而,如今,片上网络互连技术已经成为一种超越总线架构的趋势。
总线通信的一个流行的例子是ARM的AMBA(高级微控制器总线体系结构)总线协议。总线体系结构用于驱动组件之间的数据。片上总线体系结构可分为共享总线、分层总线和环形拓扑。不同的公司根据芯片的设计和应用,设计了不同的架构。例如Altera AVALON、IBM CORECONNECT、Silicore Corporation的WISHBONE。
片上网络采用系统级网络技术进行片上流量管理。NOC是一个同构的、可扩展的交换网络,用于传输多用途数据包。这种体系结构本质上是分层的,使用用户定义的技术。通信通过三层通信方案进行,即事务、传输和物理。
NOC互连结构的目的是减少芯片上的线路路由拥塞,更好的定时闭合,一种对SOC设计进行各种ip更改的标准化方法。NOC体系结构已被证明更节能,并能满足吞吐量需求。
外部接口
SOC接口按照预期的应用延迟。外部接口通常基于通信协议,如WiFi、USB、以太网、I2C、SPI、HDMI。如果需要,可以添加模拟接口,用于连接传感器和执行器。
其他组件
一个功能完备的SOC所需的其他组件是定时源,如时钟、计时器、振荡器、锁相环系统、电压调节器和电源管理单元。
SoC设计流程
SoC设计流程针对的是架构协同设计,即同时设计硬件和软件。设计流程必须考虑到优化目标和各种约束。下图是SoC从规格到制造的设计流程示例。制造SoC的每个步骤都由不同的团队执行。
采用MOS技术制作了SoC。今天,最小的MOS技术是由台积电和三星开发的3nm技术。然而,目前大多数器件都使用10nm技术。制作过程包括设计的网表生成,然后是物理设计流程。在整个过程中,特别注意静态时序分析(STA),即数字电路中的时序计算。STA还用于验证计时性能并检查任何计时违规。时序违规会导致亚稳态,即数字电路中的触发器处于未知状态(既不是1也不是0)。
在制作的第1步中,分析设计规范,并生成执行规范所需的IPs列表。这些IP或知识产权通常外包给第三方IP供应商。这些ip可以是软核、硬核或坚核,这取决于更改参数的灵活程度。ip也可以由同一家公司制作。
在步骤2中,集成ip以生成整个设计的RTL描述。RTL代表寄存器传输级别,它包括各种硬件描述语言的使用,如Verilog、System Verilog和VHDL。RTL模拟硬件寄存器之间的同步数字电路。
在步骤3中,由SoC积分器生成一个门级网列表。门级网络列表包含关于标准单元逻辑连接的数据,包括组合单元、顺序单元和网络的数据。网络是由两个或多个相互连接的组件组成的一组。用于测试的设计(DFT)工具用于提高可测试性。
在步骤4中,根据物理设计过程将门级网列表转换为布局。在这个阶段还可以导入IP核。物理设计包括将设计的电路表示转换为几何形状,这导致了生产后的功能组件。
在步骤5中,假设静态时间分析和功率分析已经完成,最终的布局被开发和发送制造。
在步骤6中,对组装的芯片进行检查。在此步骤之前,将彻底检查芯片的逻辑正确性。这种检查称为功能验证,占整个过程的很大一部分。为了执行验证,SystemC、System Verilog等语言越来越受欢迎,以适应复杂性。
重要的是要记住,在制造后对芯片进行任何更改都是非常困难和昂贵的。因此,设计的仿真(原型)是在制造之前进行的。这通常使用fpga(现场可编程门阵列)来完成,因为它可以重新编程并允许调试。
SoC的优缺点
SoC的主要目的是最小化外部组件。因此,与单板计算机相比,它具有以下优点:
- 大小:SoC只有硬币大小。由于MOS技术的尺寸迅速减小,soc可以做得非常小,同时能够执行复杂的任务。尺寸不影响芯片的特性。
- 降低功耗:SoC是为手机等低功耗设备而优化的。低功耗导致手机的电池容量更高。
- 灵活性:soc很容易重新编程,这使得它们很灵活。因此,他们允许ip的重用。
- 可靠性:soc提供高电路安全性和降低设计复杂性。
- 成本效率:主要是由于较少的物理组件和设计重用
- 更快的电路操作
soc也有一些缺点:
- 耗时:从设计到制造的整个过程可能需要6个月到1年。因此,市场对时间的需求非常高。
- 设计验证要求非常高,消耗总时间的70%。由于SoC设计的复杂性不断增加,DV设计变得单调乏味。
- ip的可用性和兼容性扮演着非常重要的角色,这能够增加游戏的上市时间。
- 成倍增长的制造成本。
- 对于低容量的产品,SoC可能不是最好的选择。
应用程序
soc目前最常见的应用是在移动应用程序中,包括智能手机、智能手表、平板电脑。其他应用包括信号语音处理,PC接口,数据通信。由于集成了LTE和无线网络等通信模块,soc也被应用到个人电脑(pc)上。
目前市场上最受欢迎的soc是由高通技术公司为智能手机、智能手表和即将到来的5G网络兼容性生产的。其他制造商还包括英特尔科技公司、三星公司、苹果公司等。
了下:188app彩票 ,188abc金博宝