什么是FPGA、SOC、SOPC、DSP？

FPGA

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，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（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：
       1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(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)計周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險最小的器件之一。
       5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說，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中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

加電時，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的編程無須專用的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，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，1. 技術(shù)發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)業(yè)未來的發(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。一般說來, SoC稱為系統(tǒng)級芯片,也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個產(chǎn)品,是一個有專用目標(biāo)的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù),用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設(shè)計的整個過程。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是一個微小型系統(tǒng),如果說中央處理器(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核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的,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,其二是它形成過程。系統(tǒng)級芯片的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、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,對于一個無線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(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軟件等。系統(tǒng)級芯片形成或產(chǎn)生過程包含以下三個方面:

1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計和驗證;
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)計理論和技術(shù)。

SoC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

具體地說, SoC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(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、開發(fā)研究,是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

SoC的發(fā)展趨勢及存在問題

當(dāng)前芯片設(shè)計業(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)計業(yè)界的焦點(diǎn), SoC性能越來越強(qiáng),規(guī)模越來越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的ASIC,同時由于深亞微米工藝帶來的設(shè)計困難等,使得SoC設(shè)計的復(fù)雜度大大提高。在SoC設(shè)計中,仿真與驗證是SoC設(shè)計流程中最復(fù)雜、最耗時的環(huán)節(jié),約占整個芯片開發(fā)周期的50%～80% ,采用先進(jìn)的設(shè)計與仿真驗證方法成為SoC設(shè)計成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢是基于SoC開發(fā)平臺,基于平臺的設(shè)計是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計方法,分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果,不斷重整價值鏈,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)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(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)計方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，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)計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù)、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(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)計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA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)行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內(nèi)實(shí)時調(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)品制造價格仍然相當(dāng)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(yīng)用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。SOPC被稱為“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來”。

SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，或者說是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)。SOPC的設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代計算機(jī)輔助設(shè)計技術(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、自頂向下和自底向上混合設(shè)計的方法，邊設(shè)計、邊調(diào)試、邊驗證……原本需要寫上幾千行的VHDL代碼的功能模塊，通過嵌入IP核后，只需幾十行C代碼即可實(shí)現(xiàn)。因此，可以使得整個設(shè)計在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)很難滿足系統(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、存儲器、外設(shè)接口和多層次用戶電路等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一塊芯片上，因其靈活、高效、設(shè)計可重用特性，已經(jīng)成為集成電路未來的發(fā)展方向，廣泛應(yīng)用到汽車、軍事、航空航天、廣播、測試和測量、消費(fèi)類電子、無線通信、醫(yī)療、有線通信等領(lǐng)域。

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

DSP

DSP數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學(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，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(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)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(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)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，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，是最值得稱道的兩大特色。

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

　?。?）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；
　?。?）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；
　?。?）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；
　　（4）具有低開銷或無開銷循環(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)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；
　　（7）可以并行執(zhí)行多個操作；
　?。?）支持流水線操作，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較弱些。