摘要：集成电路芯片设计是IC产业链的龙头，而系统芯片（SOC）集中了芯片设计的先进技术。本文论述了SOC芯片的最新设计技术和焦点技术，包括嵌入式CPU，IP模块设计以及芯片的验证和测试等，展望了当前SOC芯片设计的发展趋势。

　　关键词：系统芯片；集成电路；IC产业链；存储器；数字信号处理器；微电子技术

　　1 引言
　　伴随着半导体工艺加工技术的进步，集成电路（IC）设计者能够将越来越复杂的功能集成到单晶硅片上。SOC正是在IC向集成系统（IS）转变下应运而生的。从狭义的角度讲，SOC是电子信息系统的集成；从广义的角度讲，SOC是一个微电子小型系统，如果说中央微处理器是大脑，那么SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手在内的集成系统。可以预期不远的将来，超大规模集成电路（VLSI）与电子整机系统之间的界限将被彻底打破[1-5]。

　　SOC又是将CPU、自主知识产权（IP）核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单晶硅片上的IS。它通常是客户定制（CSIC），或是面向特定用途的标准产品（ASSP）。

　　SOC为面向特定用户、能最大程度上满足嵌入式系统要求的芯片，具有诸多的技术优势：极大地减小功耗开销，减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡性能改善（由于片内连线缩短），降低风冷要求，降低系统开发商成本，尤其适于数字信息化产品的开发，如手持设备、信息家电等新品。因此，利用上述技术优势符合SOC产业链的发展方向。

　　2 系统芯片SOC与嵌入式CPU

　　2.1 基于IP的SOC芯片设计

　　近年来，在合理的成本价格下制造VLSI产品可以在单个管芯（die）上放置千万个晶体管。这些制造技术的优点使设计者能够创建一个系统芯片，它包括系统所需的一切元器件，但对系统而言，现阶段包括成倍的芯片。SOC通常包括各种广泛的电子部件：随机读/写存储器、CPU和数/模混合电路等。而设计SOC的主要挑战在于将各种各样的元器件安置在一个非常薄的硅片上。
　　SOC只有被设计成含合理的、相当数量的电子部件才是最有用的。如果SOC的子系统只用人工进行设计，那么大多数SOC将无法在设计中适时地利用设计工艺。因而设计SOC通常利用IP模块，以提高SOC产业链的生产效率。IP模块是预先设计好的元件，它可以用于较大规模的设计中，主要有以下两种IP模块。

● 硬IP 作为预设计版图出现。由于一个全版图是有效的，所以硬IP模块大小、性能和功耗都可以精确地测定。

● 软IP 是用硬件描述语言来描述的可综合模块，例如Verilog或VHDL语言。软IP模块更易于实现用新工艺进行芯片设计，但它更难于表现其工艺特征，并且也不如硬IP模块体积小、速度快。

　　2.2 SOC芯片的系统设计

    SOC芯片的系统设计流程如图1所示。它主要包括以下几步。

● 系统规范。在芯片设计的开始阶段，首先需要确定芯片的功能要求、性能要求、成本与芯片的设计时间，并建立系统的预备规范。通常预备规范由设计师和市场人员共同完成。然后需要建立整个系统的高级语言算法模型，通常这个模型由C/C++ 或其他工具软件（如MATLAB等）建立一个可执行程序，此程序完成系统的主要功能，并用作未来设计的参考。

● 模型细化与测试。建立可执行系统描述的验证环境、验证系统描述的功能并进行性能评价。一旦完成环境建立，这一环境就用来验证软、硬件的设计结果，例如检测软、硬件混合仿真结果。对算法占主要成分的SOC芯片，需要在软、硬件划分前作大量的算法验证和评价工作。

● 系统的软、硬件划分。当高层模型确定

后，开始进行系统的软、硬件划分工作，即确定哪部分运算由软件实现，哪部分运算由硬件实现。这一过程涉及大量的人工工作，需要丰富的设计经验，能够在芯片性能与代价之间作出合理的折衷。功能良好的软件库与IP库可使该项工作得以顺利的完成。当完成软、硬件划分后，还需确定软、硬件之间的接口，并设计这两者之间的通信协议。
● 模块定义。软、硬件划分的结果是建立硬件规范和软件规范。硬件规范包括基本功能说明、时序、芯片面积、功耗要求等信息，还包括与软件接口的信息、I/O口的详细描述等。根据模块定义，可将硬件功能划分为不同的宏模块，各模块功能或由IP实现，或需重新设计。最终的芯片则由这些宏模块构成。

● 系统功能模型与软、硬件混合模拟。当软、硬件划分后，可建立一个硬件行为模型和软件模型，用这两个模型混合模拟仿真系统的功能，以此为出发点建立一个可靠的硬件和软件的、可执行的功能描述，并用来验证后续设计工作的结果。

　　2.3 IP模块设计的