System-on-a-chip

SoC (ang. System-on-a-chip) lub SOC (ang. System On Chip) mianem tym określa się układ scalony zawierający kompletny system elektroniczny, w tym układy cyfrowe, analogowe (także radiowe) oraz cyfrowo-analogowe. Poszczególne moduły tego systemu, ze względu na ich złożoność, pochodzą zwykle od różnych dostawców. Przykładowo jednostka centralna pochodzi od jednego dostawcy, a porty komunikacji szeregowej od innego. Typowym obszarem zastosowań SoC są systemy wbudowane, a najbardziej rozpowszechnionym przedstawicielem tego rozwiązania są systemy oparte na procesorach w architekturze ARM.

W przypadku, gdy niemożliwe jest zintegrowanie wszystkich obwodów na jednym podłożu półprzewodnikowym, poszczególne moduły wykonuje się na oddzielnych kryształach, a całość zamyka się w jednej obudowie. Rozwiązanie takie określane jest mianem SiP (ang. System-in-a-package), jest ono jednak mniej opłacalne ekonomicznie.

W odróżnieniu od mikrokontrolerów SoC są wyposażone w CPU o stosunkowo dużej mocy obliczeniowej (pozwalającej uruchamiać systemy operacyjne takie jak Linux i Windows CE) oraz bardziej specjalizowane peryferia.

Struktura

Typowy układ typu SoC składa się z elementów takich jak:

• pojedynczy mikroprocesor, mikrokontroler lub rdzeń DSP
• bloki pamięci złożone z modułów RAM, ROM, EEPROM lub FLASH
• układy czasowo-licznikowe
• kontrolery transmisji szeregowej lub równoległej (np. UART, SPI, USB, Ethernet)
• przetworniki analogowo-cyfrowe lub cyfrowo-analogowe
• obwody zarządzania zasilaniem

Niektóre układy SoC mogą zawierać kilka jednostek obliczeniowych. Są one określane mianem MPSoC (ang. Multiprocessor System-on-Chip).

Projektowanie SoC

Opracowywanie układów SoC przebiega równolegle w dwóch procesach: rozwijana jest baza sprzętowa oraz programowa, integrująca mikroprocesor, mikrokontroler lub rdzeń DSP z peryferiami i interfejsami.

Kluczowym etapem podczas projektowania układów SoC jest emulacja bloków sprzętowych na platformie FPGA połączona z rozwijaniem sterowników programowych.

Następnym krokiem jest zaprojektowanie struktury SoC w pojedynczym układzie scalonym.

Następnie sprawdzana jest poprawność funkcjonowania układów scalonych z użyciem języków VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC czy OpenVera.

Wytwarzanie

Układy SoC produkowane są w różnych procesach technologicznych, w tym:

• FPGA
• Standard cell
• Full custom

Układy SoC są na ogół mniej energochłonne, bardziej niezawodne, prostsze w montażu i tańsze przy masowej produkcji od rozwiązań opartych na wielu układach scalonych. Niemniej zaprojektowanie układu SoC wymaga zaawansowanych technologii i znacznego nakładu kosztów, jest więc na ogół nieopłacalne przy produkcji małoseryjnej.

Przykładowe układy

• nVidia Tegra 2
  • procesor - ARM Cortex A9 (2 rdzenie po 1.0GHz)
  • grafika - GeForce ULP
• Qualcomm Snapdragon

(różne wersje)

• Samsung Hummingbird (Apple A4*)
  • procesor - ARM Cortex A8 (1 rdzeń o taktowaniu 1.0GHz)
  • grafika - PowerVR SGX-540
• Samsung Exynos 4210
  • procesor - ARM Cortex A9 (2 rdzenie po 1.2GHz)
  • grafika - Mali 400 MP4
• Texas Instruments OMAP

(różne wersje)

_________

(* - w procesorze Apple A4 zastosowano grafikę SGX-535)

Zobacz też

• mikrokontroler
• ASIC
• FPGA