什么是FPGA、SOC、SOPC、DSP？

FPGA

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線(xiàn)（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：
1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。
4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

目前FPGA的品種很多，有XILINX公司的Virtex系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的Stratix系列等。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專(zhuān)用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

SOC

SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢(shì)，1. 技術(shù)發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

SoC基本概念

SoC的定義多種多樣,由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣,很難給出準(zhǔn)確定義。一般說(shuō)來(lái), SoC稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片,也有稱(chēng)片上系統(tǒng),意指它是一個(gè)產(chǎn)品,是一個(gè)有專(zhuān)用目標(biāo)的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù),用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始,到軟/硬件劃分,并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。從狹義角度講,它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng),如果說(shuō)中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶(hù)定制的,或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面:其一是它的構(gòu)成,其二是它形成過(guò)程。系統(tǒng)級(jí)芯片的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)器模塊、和外部進(jìn)行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊,對(duì)于一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC還有射頻前端模塊、用戶(hù)定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實(shí)現(xiàn))以及微電子機(jī)械模塊,更重要的是一個(gè)SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件)模塊或可載入的用戶(hù)軟件等。系統(tǒng)級(jí)芯片形成或產(chǎn)生過(guò)程包含以下三個(gè)方面:

1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;
2) 再利用邏輯面積技術(shù)使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開(kāi)發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用技術(shù),特別是大容量的存儲(chǔ)模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等;
3) 超深亞微米(UDSM) 、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)。

SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

具體地說(shuō), SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線(xiàn)架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等,此外還要做嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)研究,是一門(mén)跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

SoC的發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題

當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn),系統(tǒng)芯片SoC已經(jīng)成為IC設(shè)計(jì)業(yè)界的焦點(diǎn), SoC性能越來(lái)越強(qiáng),規(guī)模越來(lái)越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的ASIC,同時(shí)由于深亞微米工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難等,使得SoC設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提高。在SoC設(shè)計(jì)中,仿真與驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)流程中最復(fù)雜、最耗時(shí)的環(huán)節(jié),約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%～80% ,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SoC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是基于SoC開(kāi)發(fā)平臺(tái),基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)方法,分享IP核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果,不斷重整價(jià)值鏈,在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上,向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移,使系統(tǒng)級(jí)集成能力快速發(fā)展。

SOPC

(System-on-a-Programmable-Chip)即可編程片上系統(tǒng)

用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱(chēng)作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

·SOPC的特點(diǎn)

SOPC結(jié)合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：
至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；
具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；
豐富的IP Core資源可供選擇；
足夠的片上可編程邏輯資源；
處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；
可能包含部分可編程模擬電路；
單芯片、低功耗、微封裝。

·SOPC的技術(shù)內(nèi)容

SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而B(niǎo)GA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。

·SOPC的前景

SOPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價(jià)格仍然相當(dāng)昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應(yīng)用的靈活性和價(jià)格上有極大的優(yōu)勢(shì)。SOPC被稱(chēng)為“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)”。

SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說(shuō)是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)。SOPC的設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、EDA技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPC技術(shù)是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中嵌入實(shí)現(xiàn)。大量采用IP復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、自頂向下和自底向上混合設(shè)計(jì)的方法，邊設(shè)計(jì)、邊調(diào)試、邊驗(yàn)證……原本需要寫(xiě)上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過(guò)嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實(shí)現(xiàn)。因此，可以使得整個(gè)設(shè)計(jì)在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級(jí)等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)很難滿(mǎn)足系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、高速度、低功耗、多媒體等實(shí)際需求，SOPC（片上可編程系統(tǒng)）可將處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)接口和多層次用戶(hù)電路等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設(shè)計(jì)可重用特性，已經(jīng)成為集成電路未來(lái)的發(fā)展方向，廣泛應(yīng)用到汽車(chē)、軍事、航空航天、廣播、測(cè)試和測(cè)量、消費(fèi)類(lèi)電子、無(wú)線(xiàn)通信、醫(yī)療、有線(xiàn)通信等領(lǐng)域。

SOPC技術(shù)是一門(mén)全新的綜合性電子設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及面廣。因此在知識(shí)構(gòu)成上對(duì)于新時(shí)代嵌入式創(chuàng)新人才有更高的要求，除了必須了解基本的EDA軟件、硬件描述語(yǔ)言和FPGA器件相關(guān)知識(shí)外，還必須熟悉計(jì)算機(jī)組成與接口、匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言、DSP算法、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、片上系統(tǒng)構(gòu)建與測(cè)試等知識(shí)。顯然，知識(shí)面的拓寬必然推動(dòng)電子信息及工程類(lèi)各學(xué)科分支與相應(yīng)的課程類(lèi)別間的融合，而這種融合必將有助于學(xué)生的設(shè)計(jì)理念的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的升華。

DSP

DSP數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠(chǎng)商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

DSP微處理器

DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

　?。?）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；
　　（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；
　　（3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)；
　?。?）具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；
　?。?）快速的中斷處理和硬件I/O支持；
　?。?）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；
　?。?）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；
　?。?）支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。