Системы на кристалле. Основные понятия

Система на кристалле (однокристальная система) — в микроэлектронике — электронная схема, выполняющая функции целого устройства (например, компьютера) и размещенная на одной интегральной схеме. В англоязычной литературе она называется System-on-a-Chip или сокращённо SoC..Появление подобных интегральных схем вызвано тем, что современные требования к функциональности электронных устройств с каждым годом повышаются, а сроки внедрения в производство сокращаются. Разработка изделия с новым уровнем функциональности на базе микроконтроллеров или сигнальных процессоров требует значительных ресурсов и команды квалифицированных системотехников и, как следствие, разработчики часто не успевают за требованиями рынка. Встраиваемая микропроцессорная система на базе SoC уже содержит необходимые для конечного устройства интерфейсы (например, USB, Ethernet, LCD, SD card) и аналогична по своей функциональности одноплатному промышленному компьютеру, но при этом обладает размерами микросхемы, расширенным температурным диапазоном и при этом приемлемой ценой.В зависимости от назначения системы, она может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Если разместить все необходимые цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус (System in a package, SiP), однако SoC считается более выгодной конструкцией, так как позволяет увеличить процент годных устройств при изготовлении и упростить конструкцию корпуса.Типичная SoC содержит: один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов (DSP), банк памяти, состоящий из модулей ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ или флэш, источники опорной частоты, например, кварцевые резонаторы и схемы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), таймеры, счетчики, цепи задержки после включения, блоки, реализующие стандартные интерфейсы для подключения внешних устройств: USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, а также блоки цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.В программируемые SOC часто входят также блоки программируемых логических матриц — ПЛИС; а в программируемые аналого-цифровые SOC — еще и программируемые аналоговые блоки.

Такая организация получила широкое распространение за счет своей универсальности, малого энергопотребления, возможности реконфигурации и т.д. Сегодня системы на кристалле постепенно заменяют громоздкие вычислительные структуры, реализованные при помощи набора интегральных схем, микроконтроллеры и даже специализированные интегральные схемы.

Современные технологии проектирования SoC имеют два основных направления:

платформенный принцип и блочно-модульное построение на основе готовых блоков

интелектуальной собственности так называемых IP-ядер.

Блочно-модульный подход позволяет значительно упростить процесс разработки и

существенно сократить время проектирования, поскольку IP-ядра представляют собой

отлаженные и сертифицированные цифровые блоки, представленные на языке

описания аппаратуры (HDL – hardware abstraction level) или в виде готовых файлов для

прошивки. Они не содержат ошибок и не требуют тщательной внутренней отладки и

верификации. Функциональное назначение таких блоков может быть различным,

например, контроллеры интерфейсов, алгоритмы обработки данных, а также

процессорные ядра и специализированные модули.

Платформенный подход к проектированию предполагает использование

единого программно-аппаратного комплекса, который обеспечивает работу с

некоторым перечнем микросхем. Предусматривается применение методов

систематического повторного использования стандартных IP-ядер

сертифицированных для данной платформы производителем, что избавляет от

повторной верификации, при этом возможен импорт ядер сторонних производителей.

Существует два основных направления в реализации SoC: первое – в виде заказных

или полузаказных ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), изготавливаемых на

основе фотошаблонов, второе – в базисе FPGA (Field Programming Gate Array),

которые имеют возможность реконфигурирования за счет смены содержимого

конфигурационной памяти.

Основным достоинством ASIC следует считать быстродействие, малую

подверженность внешним воздействиям, в том числе радиации, и низкую стоимость

при выпуске крупных партий. Тем не менее, современные технологии изготовления

базовых кристаллов постепенно выдвигают FPGA на первый план, поскольку при

реализации сложных проектов стоимость ASIC значительно превышает стоимость

разработки на FPGA, в то время как скорость обработки на FPGA приближается к

скорости обработки ASIC. При этом FPGA позволяет быстро изменять структуру

проекта в соответствии с требованиями, полагаясь исключительно на специфику

поставленной задачи. Такой подход дает сравнимую с ASIC производительность. Классический маршрут проектирования SoC подразумевает постепенное

нисходящее проектирование от разработки общих алгоритмов системного

функционирования, до физического исполнения (рис. 1). Общие алгоритмы

разрабатывают и отлаживают с помощью языков высокого уровня, обычно C/C++, либо

в среде MATLAB. Переход от алгоритмического описания к описанию на языке

представления аппаратуры (HDL) происходит только после верификации на

программном уровне.

Данный подход имеет ряд недостатков, связанных с необходимостью

преобразовывать алгоритмическое описание в описание на уровне регистровых передач

(RTL) вручную. Проблемы возникают из-за различий в представлении системных

алгоритмов и описаний на аппаратном уровне, сложности создания и изменения HDL

кода, долгой верификации HDL кода, различия между RTL-описанием ПЛИС и ASIC

микросхем. Для внесения изменений на системном уровне приходится возвращаться на

стадию алгоритмического описания, после чего весь проект требует повторной (или

частичной) крупномасштабной отладки и верификации.