SoC的技术支持及嵌入式系统设计

三、嵌入式系统的设计  

嵌入式系统与SoC之间并没有明确的界定。按通常的理解，嵌入式系统更多地是指对单片机系统所做的集成，是SoC的一个子集。SoC则是指更广泛的系统集成。  

1. 单片机的历史功绩  

单片机在推动IC应用，促进IC发展方面发挥过而且还将继续发挥重要作用。单片机以微处理器为核心，在相应的应用环境下开发出软件写入码点，再配上周边的外围电路，就构成了应用于各行各业的单片机系统，上至精密仪器的自动控制，下至家电、玩具的多种功能，都离不开单片机在其中发挥作用。  

单片机需要微处理器，促进了微处理器电路的生产，使之成为IC家族中所占份额最大的一个成员；单片机需要写入码点，促进了EPROM、Flash等非挥发存储工艺的发展，简化了编程过程。单片机在一个领域的应用，又启发了其他领域的应用，对微处理器的功能提出了更多的要求，因此推动了微处理器不断设计出新版本。单片机的广泛应用使得单片机系统成了集成电路渗入各行各业的"先驱"，同时也使得单片机成了IC需求的大户之一。所以单片机对IC的发展特别是对微处理器电路的发展，功不可没。  

可以说基于单片机的嵌入式系统是SoC的最初形式。有些单片机系统，例如家电控制器等，有着非常广大的市场。对于这种单片机实现系统集成，把所用的微处理器和外围电路集成为一个芯片，这样做不仅可以降低成本，提高可靠性，同时还有利于保护知识产权。这就构成了SoC的最初形式。不少Foundry为了扩大营业范围，建立了嵌入式微处理器的渠道，为嵌入式系统的设计和加工提供了方便。当然，使用者要对Foundry多付一定的费用，Foundry也要向微处理版权的拥有者付费。这就形成了IP有偿使用的模式。  

尽管今天，SoC设计的范围、IP的种类和水平以及EDA工具的能力都比单片机系统所需的条件完备了许多，但是单片机系统的编程、开发过程和面向市场、对准应用的特点，都对SoC的发展有重要启发。   

2. SoC阶段的嵌入式系统设计  

进入SoC阶段，嵌入式系统设计所面对的工艺条件、 IP水平、 EDA能力、 软硬件协同设计-- H/S Codes方法都有了很大的变化。嵌入式系统设计师所能得到的条件也更加完备，因此更可以施展其系统设计的才华。  

（1） 向chipless公司发展  

正如当年单片机系统以其面向应用为特点一样，嵌入式系统设计师面向市场的首要任务没有改变。嵌入式系统设计师首先是该应用领域的系统设计师，全面了解应用的需求，能提出带有前瞻性的设计方案；同时应了解IP核的功能及行情，很快便能利用所需的IP核再加上胶连逻辑（glue logic）完成系统。这就是chipless的运作模式。  

以SoC技术为主的chipless是指不再做具体模块芯片的设计。按这种模式运作的公司，依据电子市场需求和IP供给能力，提出系统功能描述，然后完成各IP模块在芯片上的拼接，再按Fabless模式完成SoC制作，便可把产品投入市场。显然，这种模式一定会受到系统设计师的欢迎。他们可以如当年把IC芯片安装在PCB上一样在硅片上进行IP模块的布局，完成SoC的设计。由于所提方案是有前瞻性的，所选IP是优化的，所用的设计工具是有效的，再加上所用的加工是稳定的，所以这样的产品具有了能在市场上一炮打响的条件。即使考虑到市场风险，成功率只有1/5，那个成功产品取得的占领市场的经济效益已足以使得公司取得成功。  

IC设计公司的盈利主要在两个阶段。第一个阶段是抢占市场阶段。产品领先，市场独占，即在所谓的"leading edge"位置，可以取得相当高的新品差价收益。不过这个阶段一般维持不长，产品所具有的前瞻性逐渐消退，竞争对手会以"me too"的方式挤占进来，因此需要及时转入第二阶段，创造新的IP，优化系统设计，实现更大成品率和更低的单件成本，以求得产品批量上市的收益。chipless 模式的IC公司在这两个阶段把握住市场和技术，就能高出一筹，在激烈的竞争中取得胜利。  

至于chipless所用的IP，主要以最佳的性能/价格比为目标，只要是市场提供的、信誉可靠的都可以使用。在相同条件下，尽量选用国内IP，以支持国内IC业的发展。  

（2） 熟悉IP市场  

正如当年单片机系统设计师十分熟悉芯片市场一样，嵌入式系统设计师要对IP市场十分熟悉。美国ICE主编的"ASIC Status99"中对IP有这样的描述：  

"Yesterday's chips are today's reusable IP blocks，and can be combined with other functions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）"  

这个描述比较清楚地说明IP对于嵌入式设计师的重要性。  

熟悉IP市场首先要熟悉IP的功能、性能以及使用费用，这点与买芯片装系统差别不大。其次，要了解它的工艺依托状况，这点是用分立组件搭系统不曾遇到的。SoC最终要去工艺制作，而各家Foundry的工艺又不尽相同，DSM阶段各家工艺之间的差异会更突出一些。因此在SoC设计时，一定要注意所选IP的工艺兼容性。  

IP进入市场运作，通常是以Foundry和EDA为载体。EDA系统装入的IP一般只提供功能描述，为SoC设计仿真提供IP功能的黑盒。IP装入EDA系统既有利于EDA销售，又有利于IP的推广，因此这种形式的IP资料通常是随EDA系统无偿提供的。与EDA不同，Foundry提供的是IP实体，是可以付诸工艺流片的全套设计。在得到IP版权持有者的许可之后，Foundry便可以有偿提供IP的"使用版"。所谓"使用版"是不可阅读的版本，不能通过它了解设计的细节，但可以使用。使用者可以方便地把它嵌入到自己的设计之中。  

在市场运作中，IP的使用费用可以有多种方式，包括一次买断，按设计付费，按产品提成等等。无论哪种方式，一般说，新版本的、功能强的IP要价都很高。因此，只有所设计的嵌入式系统有足够大的市场，才可以从使用IP中取得效益。  

就目前情况看，利用国外IP完成的SoC设计已有不少，但尚无国产的IP问世，眼看着高额利润流去。早些年，我们买进口芯片装系统，高额利润被芯片拿走。现在，我们自己做SoC芯片，但要用国外IP，高额利润又被IP拿走。因此，与IC设计师合作开发出我们自己的IP也是系统设计师的光荣使命。