摘要：本文討論SOC和單片機應用技術的發(fā)展；介紹SOC的基本技術特點和應用概念；分析作為IP家庭重要成員的單片機在SOC應用設計中的特點。通過討論指出以嵌入技術為基礎，單片機再次成為現(xiàn)代電子應用技術的核心之一，為SOC應用技術提供了堅實的基礎。
關鍵字：SOC；單片機；嵌入式系統(tǒng)
引言
現(xiàn)場電子技術應用中包含了硬件（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)代電子技術應用的3人發(fā)展階段。自1997年以來，電子技術應用又增加了一個新的層次??片上系統(tǒng)（SOC）層次。SOC技術概念和應用技術層次的出現(xiàn)，標志著現(xiàn)代電子技術應用進入了SOC階段。
從各個發(fā)展階段看，自HW+SW階段開始，電子技術應用就與單片機緊密地聯(lián)系在一起。在FW階段，作為固件系統(tǒng)的重要核心技術，單片機又以嵌入式技術為基礎，再次成為現(xiàn)代電子應用技術的核心技術之一，并為SOC應用技術提供了緊實的基礎。
SOC為各種應用提供了一個新的實現(xiàn)技術。這種新的電子系統(tǒng)實現(xiàn)技術促使工業(yè)界在近3年中發(fā)生了巨大的變化，為信息技術的應用提供堅實的基礎，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機技術提供了更廣闊的應用領域，使單片機應用技術發(fā)生了革命性的變化。
本文根據(jù)幾年來對SOC技術和單片機應用技術發(fā)展的研究，對SOC的基本技術概念以及單片機與SOC技術的關系進行了討論，指出了SOC中單片機嵌入式應用的技術特點。
一、SOC技術與應用概念
所謂SOC技術，是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術。使用SOC技術設計系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個應用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SOC技術設計應用系統(tǒng)，除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外，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
在傳統(tǒng)的應用電子系統(tǒng)設計中，須要根據(jù)設計要求的功能模塊對整個系統(tǒng)進行綜合，即根據(jù)設計要求的功能，尋找相應的集成電路，再根據(jù)設計要求的技術指標設計所選電路的連接形式和參數(shù)。這種設計的結果是一個以功能集成電路為基礎，器件分布式的應用電子系統(tǒng)結構。設計結果能否滿足設計要求不僅取決于電路芯片的技術參數(shù)，而且與整個系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性有關。同時， 對于須要實現(xiàn)數(shù)字化的系統(tǒng)，往往還須要有單片機等參與，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)應用電子系統(tǒng)的實現(xiàn)，采用的是分布功能綜合技術。
對于SOC來說，應用電子系統(tǒng)的設計也是根據(jù)功能和參數(shù)要求設計系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)方法有著本質的差別。SOC不是以功能電路為基礎的分布式系統(tǒng)綜合技術。而是以功能IP為基礎的系統(tǒng)固件和電路綜合技術。首先，功能的實現(xiàn)不再針對功能電路進行綜合，而是針對系統(tǒng)整體固件實現(xiàn)進行電路綜合，也就是利用IP技術對系統(tǒng)整體進行電路結合。其次，電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關。因此，使設計結果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設計的結果十分接近理想設計目標。
2.固件集成是SOC的基礎設計思想
在傳統(tǒng)分布式綜合設計技術中，系統(tǒng)的固件特性往往難以達到最優(yōu)，原因是所使用的是分布式功能綜合技術。一般情況下，功能集成電路為了滿足盡可能多的使用面，必須考慮兩個設計目標：一個是能滿足多種應用領域的功能控制要求目標；另一個是要考慮滿足較大范圍應用功能和技術指標。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，定制式電路設計的應用電子系統(tǒng)不易達到最佳，特別是固件特性更是具有相當大的分散性。
對于SOC來說，從SOC的核心技術可以看出，使用SOC技術設計應用電子系統(tǒng)的基本設計思想就是實現(xiàn)全系統(tǒng)的固件集成。用戶只須根據(jù)需要選擇并改進各部分模塊和嵌入結構，就能實現(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。固件基礎的突發(fā)優(yōu)點就是系統(tǒng)能更接近理想系統(tǒng)，更容易實現(xiàn)設計要求。
3.嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結構
在使用SOC技術設計的應用電子系統(tǒng)中，可以十分方便地實現(xiàn)嵌入式結構。各種嵌入結構的實現(xiàn)十分簡單，只要根據(jù)系統(tǒng)需要選擇相應的內核，再根據(jù)設計要求選擇之相配合的IP模塊，就可以完成整個系統(tǒng)硬件結構。尤其是采用智能化電路綜合技術時，可以更充分地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的固件特性，使系統(tǒng)更加接近理想設計要求。必須指出，SOC的這種嵌入式結構可以大大地縮短應用系統(tǒng)設計開發(fā)周期。
4.IP是SOC的設計基礎
傳統(tǒng)應用電子設計工程師面對的是各種定制式集成電路，而使用SOC技術的電子系統(tǒng)設計工程師所面對的是一個巨大的IP庫，所有設計工作都是以IP模塊為基礎。SOC技術使應用電子系統(tǒng)設計工程師變成了一個面向應用的電子器件設計工程師。由此可見，SOC是以IP模塊為基礎的設計技術，IP是SOC應用的基礎。
5.SOC技術中的不同階段
用SOC技術設計應用電子系統(tǒng)的幾個階段如圖1所示。在功能設計階段，設計者必須充分考慮系統(tǒng)的固件特性，并利用固件特性進行綜合功能設計。當功能設計完成后，就可以進入IP綜合階段。IP綜合階段的任務利用強大的IP庫實現(xiàn)系統(tǒng)的功能I。P結合結束后，首先進行功能仿真，以檢查是否實現(xiàn)了系統(tǒng)的設計功能要求。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現(xiàn)設計功能并達到相應的設計技術指標。設計的最后階段是對制造好的SOC產品進行相應的測試，以便調整各種技術參數(shù)，確定應用參數(shù)。
二、SOC的應用概念
現(xiàn)代科學技術應用的重要特點之一，就是技術多樣性、智能多變性和面向對象的系統(tǒng)設計性。所謂技術多樣性，就是實現(xiàn)同一個應用電子系統(tǒng)可以有許多不同的設計方案供選擇；而不同的設計方案就意味著必須使用不同的設計和生產技術。所謂知識多變性，是指在現(xiàn)代電子技術應用系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)目標的基礎理論和方法隨著新知識的出現(xiàn)不斷地在變化。這種變化不僅使應用電子系統(tǒng)技術指標發(fā)生變化，甚至改變了系統(tǒng)的整體結構。
隨著現(xiàn)代信息和電子技術應用領域的不斷拓寬，越來越多的應用領域提出了各種特殊要求。例如，航空航天領域要求的小體積大系統(tǒng)，信息應用領域提出的個性化等要求，都使得一般固件技術難以勝任。特別是在民用領域，重視個性化的產品設計概念使應用電子產品的更新速度極快，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品與成本、集成化與成本、產品研制周期與成本等一系列的問題。
SOC正是成為滿足現(xiàn)代科學和工程技術發(fā)展的要求而產生的現(xiàn)代應用電子技術。傳統(tǒng)的觀念認為，只有大批量的產品才有集成的可能，才具有價格競爭優(yōu)勢。因此，到目前為止，大多數(shù)小批量產品，特別是研究性質的應用電子系統(tǒng)，一般都采用HW，HW+SW或FW技術實現(xiàn)。但隨著SOC的出現(xiàn)、發(fā)展和成熟，這種現(xiàn)狀已經發(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濟的系統(tǒng)設計方法，使那么傳統(tǒng)觀念上認為高性能、高復雜度、高成本的嵌入式結構，能夠通過低成本的單片芯片實現(xiàn)。
1.SOC的設計觀念
SOC的設計觀念與傳統(tǒng)設計觀念完全不同。在SOC設計中，設計者面對的不再是電路芯片；而是能實現(xiàn)設計功能的IP模塊庫。設計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)設計功能和固件特性，選擇相應的IP模塊。這種電路的設計技術和綜合方法，基本上消除了器件信息障礙，因為每一個應用設計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的設計觀念是“設計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.高效便利的設計工具
由于IP是SOC的基礎，所以，必須采用相應的EDA軟件才能完成設計技術。如果沒有高效便利的設計工具，SOC設計就是一句空話。實際上，傳統(tǒng)應用電子系統(tǒng)設計工作對EDA和其他相應的設計軟件并沒很高的要求，只要求能提供相應的便利條件；而SOC設計則必須建立在EDA基礎之上。例如，使用SOC技術設計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技術中的單片機
單片機現(xiàn)代電子技術應用中的主流技術，特別是在工業(yè)和民用的獨立電子系統(tǒng)中，單片機起著系統(tǒng)核心的作用。由于單片機系統(tǒng)特有的固件特性，使單片機在SOC技術中占有重要的地位。
1.SOC中的單片機嵌入技術
隨著電子技術的發(fā)展，特別是應用技術的飛速發(fā)展，單片機應用系統(tǒng)已經形成了常用的、獨特的嵌入式結構。如不同系列的單片機，都是通過嵌入不同的CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機已經成為CPU和其他輔助電路而形成的。目前，單片機已經成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結構正是SOC的一種重要實現(xiàn)技術和方法。
用SOC設計單片機系統(tǒng)嵌入式結構，為設計者提供了現(xiàn)有技術所無法比擬的優(yōu)越條件。設計者必在選擇單片機的型號上下功夫；只須要根據(jù)所設計系統(tǒng)的固件特性和功能要求，選擇相應的單片機CPU內核，再根據(jù)需要選擇其他的IP模塊，就可以實現(xiàn)完整的系統(tǒng)。從某種意義上看，SOC為單片機應用提供了更廣闊的應用技術，并賦予了單片機更強大的生命力。試想，如果整個SOC目標系統(tǒng)的核心是一個單片機CPU，那么，這個系統(tǒng)設計成功之后就不僅是真正意義上的單片機，而且還實現(xiàn)了真正的系統(tǒng)單片機。這正是單片機強大生命力的根源。
2.SOC中單片機系統(tǒng)優(yōu)化
目前在單片機應用中，有相當一部分實際上并不能叫做單片機。因為許多應用中需要形成單片機的外部系統(tǒng)總線。因此，單片機資源的充分利用和避免形成外部總線，往往是單片機應用設計的主要追求目標。換句話說，優(yōu)化問題是單片機應用中的一個重要問題。
例如，設計一個具有多個傳感器的測試系統(tǒng)，往往須要根據(jù)單片機的特點設計相應的外部總線，應用系統(tǒng)由此而龐大。采用SOC技術后，系統(tǒng)不再需要外部總線，所選用單片機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。這兩種設計方法的方框圖如圖2所示。
從圖2中可以看出，設計人員不必為如何最大限度地利用單片機資源而發(fā)愁，可以根據(jù)自己的需要選擇所需的電路，并與所熟悉單片機的CPU內核相結合。同時還把現(xiàn)有技術需要精密調整的前置電路（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板調試工作。從“單片機必須實現(xiàn)系統(tǒng)單片化”的角度看，這種系統(tǒng)正是用戶自己設計的專用單片機系統(tǒng)，而且是一個能實現(xiàn)全部系統(tǒng)功能的優(yōu)化系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的調試、測試方法與傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)完全不同，已經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技術使單片機應用系統(tǒng)實現(xiàn)了更高層次上的集成。
概括地說，SOC使單片機應用技術發(fā)生了革命性的變化，這個變化就是應用電子系統(tǒng)的設計技術，從選擇廠家提供的定制產品時代進入了用戶自行開發(fā)設計器件的時代。這標志著單片機應用的歷史性變化，一個全新的單片機應用時代已經到來。
結束語
SOC成為新一代應用電子技術的核心已經成為不爭的事實，這不僅是電子技術本身的革命性標志，也是電子技術應用的重大歷史變化。SOC并不是憑空產生的；而是幾十年應用技術積累和電子技術發(fā)展的必然結果，IP是SOC的基礎就是有利的證明。
作為IP家庭中的一個重要分支，單片機應用也從定制系統(tǒng)應用技術發(fā)展成為SOC嵌入式應用技術。這對單片機應用工程師來說，不僅是用戶技術發(fā)生了重大變化，更主要的是應用工程師面臨著新的挑戰(zhàn)。同時，SOC也向單片機應用技術展示了更為廣闊的發(fā)展前景。
