這篇計算機系統論文發表了2004年全國嵌入式技術研討會觀感，隨著可編程邏輯器件的迅速發展，使用可編程邏輯器件進行系統設計逐漸成為另一個趨勢。論文探討了關于SOC及SOPC的聯系，并分析了幾種流行的SOC技術。
 

　　摘要：嵌入式技術正在突飛猛進的發展，其帶來的巨大的經濟效益吸引了越來越多的企業和個人的關注。在2004年全國嵌入式技術研討會中，各界學者交流了嵌入式領域技術的現狀和發展趨勢，并對未來的技術發展潮流作了預測，認為在下一個十年中起主導作用的將是以可編程邏輯和系統芯片為代表的可定制技術。此外，會議中還討論了處理器、操作系統等其他嵌入式系統的關鍵技術和產品。

　　關鍵詞：計算機系統論文,系統芯片,可編程邏輯,嵌入式處理器,嵌入式操作系統

　　一、綜述

　　本次嵌入式系統學術交流會主要設計了如下一些嵌入式的產品和技術領域，它們是單片機，嵌入式處理器，可編程邏輯，系統芯片，嵌入式操作系統，嵌入式軟件以及相關的系統整合開發方法。從會議主辦方的觀點看，會議討論的重點是系統芯片SOC。因此本文著重介紹在會議上得到的對于SOC的現狀及將來的認識。

　　二、關于SOC及SOPC

　　系統芯片SOC的提出已經經歷了一段不短的醞釀期，市場和技術人員都認為現在乃至將來的5年，將是SOC迅速發展并且廣泛應用的黃金時間。如手機芯片，數碼相機芯片是當前SOC產品的代表例子。在這種芯片上實現了具體應用所需要的特殊功能，同時包含處理器、存儲器和一些標準接口，使得電子系統布局更加緊湊，功能更加強大。

　　而我國同時也在強調IC設計能力的提升， 15家國家試點IC設計機構的啟動，表明了國家對于IC設計的投入和觀點。這些IC設計機構的工作重點也將著眼于SOC設計而決不會是一些簡單的常用標準IC。微軟亞洲研究院在聘用“深藍之父”許峰雄之后，也開始了其IC設計的旅程。

　　現在我們常用的可編程器件來自Altera公司，Altera公司的可編程邏輯器件已經有Flex系列升級到低端Cyclone系列和高端的Statix系列，器件內所包含的邏輯單元已經達到數百萬門，時鐘頻率接近200MHz。同時其應用軟件也完全淘汰了MaxPlusⅡ而代替以QuatusⅡ+SOPC Builder。在嵌入式系統的發展中，硬件的發展引領著時代的進步，但是這種進步必須得到開發軟件的支持才能叫更多的人(我們)直接的感受到技術進步帶來好處。

　　為積極開發基于可編程邏輯期間的SOC產品，Altera設計開發了基于其可編程邏輯器件的處理器內核——NIOS系列，目前最新產品是NIOSⅡ，其處理能力接近150MPIS，除較高的處理能力外，Altera還希望在其可編程邏輯中同時實現多個NIOSⅡ，以實現并行處理提高運算能力。使用SOPC Builder可以方便的開發含有NIOS的可編程邏輯產品，并且提供了大量的標準外設接口，同時NIOS支持ANSI C標準，還提供了用戶可重定義的指令系統。

　　Altera并不是銷售量最大的可編程邏輯期間供應商，業界最大的可編程邏輯期間供應商是Xilinx，因為進入中國市場較晚，并且針對學生的市場開發規模較小，使得我們對他有一些陌生。目前Xilinx正在依托國防科大實施其大學計劃。

　　Xilinx的可編程邏輯中也開發并投產了大量多種類的處理器，從高端的PowerPC到低端的8位處理器核應用盡有，處理能力從十幾個MIPS到200個MIPS都可以找到。其中PowerPC采用硬核方式嵌入到可編程邏輯中，其高端的Vertex4中包含了兩個硬核的PowerPC。其中檔32位可編程邏輯處理器同NIOSⅡ處于同一檔次，但由于投放市場較NIOS早半年左右，目前在性能和價格上均受到NIOSⅡ的強烈沖擊。Xilinx的可編程邏輯產品線跨度更大，覆蓋范圍更廣，邏輯資源已經達到500萬門，其雙PowerPC核的處理能力可達400MIPS，已經可以同Intel的Xscale媲美。

　　三、比較幾種流行的SOC技術

　　除了在可編程邏輯上實現的系統芯片外，其他一些廠商也把目標瞄準了SOC的市場，也帶來了一些其它類型的可編程SOC產品，主要包括PSOC和CSOC。下面比較一下這三種器件的特點(包括SOPC)。

　　1.SOPC(System On a Programmable Chip)

　　提出SOPC概念的是Altera公司，目前Xilinx也在利用自己FPGA的優勢，積極的發展自己的SOPC產品。SOPC結合了SOC和PLD、FPGA各自的優點，一般具備以下基本特征：

　　至少包含一個嵌入式處理器內核;

　　具有小容量片內高速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是PLD和ASIC技術融合的結果，目前0.13微米的ASIC產品制造價格仍然相當昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優勢。

　　2.PSOC(Programmable System On Chip)

　　PSOC是Cypress公司的產品，其特征在于將各種處理模擬信號的接口通過可編程元素連接起來。PSOC器件集成有一個快速微控制器(MCU)和SONOSTM(硅/氧化氮/氧化硅)工藝制造的閃速存儲器及SRAM，以及具有模擬和數字系統功能的可編程陣列器件(即PSOC blocks)，并實現了低成本和小型封裝形式供貨。PSOC包括多種用戶模塊，與CPLD的宏單元非常相似，這些用戶模塊也可由設計師隨意配置。不過，需要牢記的是：與CPLD不同，PSOC還包括能夠完全以模擬方式(無需使用數字電路或CPU等等)來處理信號的用戶模塊。

　　作為通用的器件，PSOC主要是針對嵌入式系統的應用，包括音頻、無線、手持、數字通信、互聯網、控制和消費類系統。Cypress 微系統公司將提供PSOC設計工具PSOCDesignerTM，它是支持PSOC器件的一種完整的開發系統開發系統，包括有一個C編譯器和匯編程序、一個連接和調試工具、一個在線仿真器和器件編輯器(Device EditorTM)。

　　3.CSOC(Configurable System On Chip)

　　CSOC的設計初衷是為了回避SOPC在低出貨量、高靈活性方面的優勢，而將工作重點瞄準了高出貨量的ASIC IC市場，因此CSOC的特點也是相似于ASIC的，在設計階段比SOPC復雜、成本高，而一旦大批量生產，就可以體現出單件產品價格低，資源利用率高的優勢。

　　從另一個角度看，目前的CSOC器件主要提供了51系列或者ARM7系列的硬核處理器，以及其它的邏輯模塊，并且可以通過硬件描述語言編程的方式組織管理原有的ASIC資源，也可以實現自己的軟核IP，其可編程資源并不比SOPC差。

　　并且，一旦生產廠商發現市場成熟，可以大量供貨后，可以很輕松的將現有的CSOC設計，轉換成完全的ASIC設計，以此來最大的降低器件的成本。

　　目前CSOC的市場還不是很活躍，國內的主要辦理商為矽正電子有限公司。

　　一個值得思考的問題是，CSOC的技術特點并不是很符合牧村定律的觀點。依照牧村定律，電子器件以10年為周期在可定制和專用化之間擺動，而從現在到2010年學者認為之可定制的10年，Altera和Xilinx也正在積極地為降低FPGA的每邏輯單元成本而努力，因此是否需要向CSOC投入較大精力仍是值得商榷的問題，也許作為技術研究還是比較合適的。

　　四、其它

　　會議中還介紹了其他一些嵌入式產品，比如ARM、新型的單片機等。由于ARM的迅速興起，已經嚴重擠壓了單片機的市場，幾乎成為32位通用嵌入式處理器的“標準”，各種規模背景的廠商都在開發基于ARM的產品，各式的ARM開發板也充斥著市場。而生產單片機的廠商則開始謀求新的發展。比如高可靠性，低功耗，采用Flash替代Ram等。以及一些專有領域的相對專用的單片機。利用Flash提供了另一種靈活性更高的在線可編程可配制的解決方案，這種技術已經得到了一些應用。本次展會單片機大廠FreeScale(原Motorola)沒有出席，但可以確定的是FreeScale依然在進行高性能單片機的研發和制造。目前其針對中國市場正在大力宣傳其單片機、DSP和傳感器芯片。

　　在軟件方便，包括操作系統和應用軟件兩大市場。VxWorks發布了6.0版本，而Linux系列也得到眾多廠商定推廣，但是感覺Linux行列中缺少重量級企業的支持。

　　開發工具方面除了各期間廠商推行的工具軟件外，當提到Altium的Protel2004和Nexar。Protel2004延續了Protel的優良傳統，其界面更美觀，運行速度更快，也提供了更豐富的元件庫支持。而Altium號稱其Nexar將是劃時代的FPGA設計工具。依個人觀點，Nexar類似于VB，令用戶不必學習復雜的硬件描述語言也可以開發FPGA產品。Nexar將通用IC模塊化以IP的方式提供，使用Nexar的用戶可以將這些IP以拖拽的方式加入工程，按照設計PCB的方法連接這些通用元件，形成工程，并有Nexar將這些內容編譯綜合下載到可編程邏輯器件中。在Nexar中也提供了基于可編程邏輯的處理器，不過目前僅限于低端的51等系列。通過Protel和Nexar的配合還可以實現在同一個IDE中進行軟硬件的開發。

　　一些提供系統集成解決方案的廠商也參加了這次會議，包括研華，立功單片機，Emdoor等。他們辦理的WindowsCE.Net和Xscale也得以在展會中露面。

　　五、總結

　　對軟件的開發過程管理，系統可靠性的保證，在本次研討會中都有涉及

　　縱觀這次展會，32位處理器已經成為嵌入式系統的標準，更大的存儲器，更快的處理能力，資源極其豐富的可編程邏輯，方便的開發工具都在刺激著這個令人熱血沸騰的領域。如何緊跟時代潮流也許將會成為一個有點棘手的問題而呈現在我們面前。對于從可編程邏輯到操作系統再到應用軟件到系統設計和開發管理的廣闊研究方向，如何把握自己也十分值得思考。現在，時不我待!

　　推薦期刊：計算機學報(月刊)創刊于1978年，由中國計算機學會與中國科學院計算技術研究所主辦、科學出版社出版，以中文編輯形式與讀者見面，同時以英文摘要形式向國際各大檢索系統提供基本內容介紹。