据半导体装置与材料协会（SEMI）分析全球半导体业的复苏可能要延到2002年中，其根据是对通讯业持续成长的预估将带动SoC的需求，而SoC将刺激可携式高速率电子产品的消费需求，例如：移动电话、MP3播放器、传呼机（pager）、PDA等等。

为了迎接这个复苏的机会，许多IC设计公司正面临着更加复杂的产品所带来的竞争压力，解决之道就是要充分利用SoC开发平台来设计芯片，这可以消除因产品必须快速上市，所带来的压力。本文介绍SoC设计面临的挑战及其三种解决方案，其中可程序系统级芯片（Programmable System on Chip；PSoC）技术能够极大地提高产品上市时间，远远胜过传统的ASIC设计方法。

随着芯片尺寸的缩小及组件密度的提高，在单芯片中整合的功能也越来越多。然而，只靠遵循摩尔定律而发展的SoC技术尚不能在芯片上实现所有组件的整合，还需要有无数复杂的设计细节，这包含宏观的和微观的、硬件的和软件的成份。而这些都是实现功能完整的SoC所必需的。

未来整合的硬件设计

过去硬件供货商都将注意力放在个别的硬件设计本身，而很少考虑到这些硬件是如何和其它组件一起工作的。一旦缓存器级接口或特定操作系统的组件驱动程序设计完毕，ASIC、FPGA及其它组件供货商通常都会认为他们的工作已经结束。这就意味着组件整合的重担要落到购买者或其它开发商和整合者身上，这些人必须在专用的、不统一的底层环境中进行设计和管理。而且他们必须解决由此导致的一系列问题，如(图一)，即便这不是他们的专长或主要的应用目标，甚至有些硬件供货商都不提供任何支持。

开发商与整合者通常都会被迫去解决许多基本问题：利用工程资源从头开发组件驱动程序；整合来自不同软件供货商的专用应用程序编程接口（API）； 处理写得不好的软件驱动程序；根据单元硬件和应用程序编程接口进行系统设计；应付总体开发成本的增加及产品上市时间延长等等问题。

其实连接硬件与应用软件的整合工作是件很痛苦的事，因为各家设计规格的不同以及技术保密的考虑，这种整合工作非得自已做不可。再说谁会愿意再去理一遍头绪进行系统硬件的修改与升级呢？通常这些系统被认为是「不可触摸的黑盒子」。一旦组件被整合以后，它们就变成永久性的固定组件，将始终占用装置和系统整合者的宝贵资源。

《图一 组件与驱动程序间的问题》

发展快速远程撷取技术

除了这些棘手的整合问题外，还有一个更现实的问题需要解决，那就是如何提供满足快速成长的远程撷取（remote access）市场所需的新技术。许多传统的本地总线结构正逐步被基于TCP/IP的以太网络结构和基于因特网的撷取方式所替代。因此，硬件供货商需要好好地考虑一下这些新技术。

鉴于目前的设计竞争越来越激烈，硬件供货商必需藉由组件整合才能突显自己。也就是说，产品从设计一开始就要考虑应用软件环境及使用问题，并需要具有网络撷取方面的支持。

应用产品开发商并不愿意为了处理数据和控制流而去费力地了解组件数据表所提供的缓存器级描述。他们没有必要为缓存器中的位作业或保留位映像的唯写（write-only）缓存器的虚拟复制而担忧。他们不须去管与硬件相关或与应用程序编程接口相关的问题，例如：为什么从一个组件中读取的数据与从另一个读取的不同？需要不同的包含文件（include files）、不同的功能调用和不同的返回代码（return code）？而软件开发商需要的是更高编程级别的有效作业，总之，他们需要最简单的方法去撷取数据流（data flow）、控制流（control flow）和状态（state）信息。那么硬件供货商要如何才能解决这些问题呢？这个问题保留到本文后面再来谈，先看看应用产品开发商和系统整合人员的观点。

应用开发商的观点

藉由Wintel的环境，或多或少能够满足应用开发商的高级编程接口需要，应用开发商利用标准API能够为相同的硬件装置找到通用的编程接口。另一方面，计算机电话整合（CTI）市场也采用了一些标准来提供较高级的应用编程接口（S.100和TAPI）。这些标准可使不同硬件供货商的电话线路板在共同的单一框架（framework）内一起工作，例如，Dialogic公司的中间件（intermediate level）产品CT-Media，它能提供应用开发框架，并可支持来自多个硬件供货商的产品。

OLD／OPC标准

制造与工业自动控制（IA）市场也开发出了用于接口控制的制程控制OLE（OPC）标准，该标准基于微软的「组件对象模型（Component Object Model；COM）」结构。利用已经发行的DCOM版本，这些应用软件能够藉由局域网络从远程撷取硬件装置。

目前有三种常用的开发环境（Windows、Linux、Java）可支持特定的组件或应用，这些组件包含：硬件适配卡和集成电路，如FPGA、ASIC、SoC等嵌入式组件，以及一些外围组件。应用软件开发商需要更高级的标准接口来推展开发工作，并更快地将产品推向市场。

系统整合人员的观点

应用开发商在努力进行接口开发的同时，系统整合人员也遇到了类似的问题。为了提供必要的用户级（client level）功能，系统整合人员必须集中于小型构建模块（包括软件和硬件）的汇编工作。

尽管谨慎的软件开发商从模块化、可再使用的角度着手系统设计（硬件开发商同样如此），但硬件与软件之间的连接常常是定制的，通常没有可可重用性，这就使得系统整合人员的工作变得愈加复杂。

以基本的模拟数字转换器（ADC）硬件电路板（或集成电路）考虑，该系统需要一定精密度和取样率的ADC组件，而市场上符合要求的产品有很多。系统整合人员可能采用其中的一种进行设计，但随即该方案就变成了一个紧密耦合（co-coupled）且不易替换的模块。如果想采用一个新的ADC组件，就需要再编写一个新的接口，几乎相当于再做一遍系统整合工作。

除了基本的硬件/软件接口外，计算平台和操作系统也会限制系统整合人员的灵活性。要想把一个专门针对VxWorks环境下PowerPC系统而开发的驱动程序移植到其它硬件平台或操作系统是很困难的，因此需要开发和维护多个软件版本。

在企业级应用中，用Java开发的应用软件可运行于多种平台和操作系统。在嵌入式系统中，整合人员也需要同样的灵活性。在硬件/软件接口以及平台和操作系统的整合中，硬件装置与其相对应的应用软件之间需要更宽松的耦合，这样才能使系统整合人员在解决用户问题时有更大的灵活性。

未来硬件供货商的职责

如果能够确保应用开发商和系统整合人员从撷取和通讯等相关实现细节中分离开来，硬件供货商就能使他们的产品变得更加实用，而且更富吸引力。实际上，硬件供货商需要支持某些类型的装置软件整合框架，以便对装置进行撷取。如(图二)。

《图二 装置软硬件整合框架》

优质软件接口

硬件供货商必须提供高质量、全功能的软件接口，才能满足应用开发商和系统整合人员的需求。在提供硬件的同时，花些时间在软件接口上将给应用开发商和系统整合人员带来极大的便利。应该确保所提供的驱动程序工作正常，并尽量提高硬件产品的性能和质量。

在许多情况下，这些硬件产品是卖给软件和系统整合商的，而非硬件开发商。因此，国内大多数的OEM硬件制造商，都必须在软件接口的开发上多加把劲，才能获得更多客户的信赖。

随着硬件装置复杂性的不断提高，保持软件接口的模块化能使开发商专注于感兴趣的功能模块。提供对装置等级（device level）的支持以及多绪（multi-thread）、多用户的撷取能力将产生锦上添花的功用。

开发统一撷取方式

对于不同类型的装置来说，硬件应用撷取所需的许多功能是类似的，即使这些功能的具体实现方法对每个装置来说会有所不同，但这也是大同小异的。配置（configure）、管理和数据流等功能对不同的装置应呈现相同的方式，即必须开发出统一的撷取方式，这样才可以使应用开发商独立于硬件（hardware-independant）的具体实现方案之外，产生所谓的「透明化（transparent）」效果。

像Java这样的技术，就有应用软件编写一次即可运行于任何地方的优点。但对于设备驱动器来说，编写一次即可运行于任何地方，这样的想法有点过于理想化。虽然如此，编写一次的设备驱动器而使之运行于多种平台的观点，仍是开发商极力追求的目标，也就是说，要做到装置与操作系统分离，全靠驱动程序将它们连接起来。

利用内建网络协议堆栈的支持，可使应用软件运行于分布式环境中。提供对标准软件的支持，能使装置即刻具备网络撷取功能，而无需软件开发商建立「承接接口（socket interface）」或做类似的工作。

在客观条件下，应尽量采用装置的撷取标准。现在还没有太多的标准装置API，工业装置制造商们是首批创建并采用标准的群体之一（对于特定级别的工业装置来说是指OPC）。

当技术发展的比较成熟时，装置实现与通讯细节应该变得更加透明。应用软件开发商能够利用标准的接口方法在任何时间、任何地点撷取任何装置，而无需了解装置环境的底层细节或所使用的网络连接。这并不是一个不切实际的幻想，当全面了解目前已经实现的某些技术后，大家就会发现这个理想并不是那么遥远。

无ASIC的可程序SoC

系统级芯片（SoC）一般都包含三大基本要素：处理器、内存和逻辑单元，如(图三)。整合了这三类电路也就相当于在单个芯片上实现了大多数系统的所有功能。

系统级整合（system level integration）因需要大量不同类型的集成电路，且只适用于特殊的应用，所以仅局限在光罩ASIC上开发，而整合处理器、内存和逻辑电路的芯片，过去都需要这种专门的技术来设计。

目前只有少数设计者有机会接触光罩ASIC，因为对于不能保证年产量在几十万片以上的设计，ASIC供货商基于成本考虑，于是不会轻易接受。对单一设计来说，IP和光罩改变等非经常性工程（Non-Regular Engineer；NRE）成本动辄就是几十万美元。

只有极大产量的订单才能允许在单一芯片上使用ASIC技术实现SoC；另外，对于那些生存周期较短、更新换代较快的产品来说，除了产量因素外，ASIC设计和制造周期也显得太长。最后还要说明的是，ASIC产品很不灵活。设计中的任何一点错误或修改都将导致额外的光罩费用，以及再加工所需的较长制造周期。

《图三 SoC的三大基本要素》

明日之星：可程序SoC

虽然大多数设计商希望采用SoC来实现他们的设计以节省功耗、空间和成本，但绝大多数人都还未接触过系统级整合。他们仍需依赖离散的标准产品（discrete standard components）之某种组合，如微处理器、内存、数字信号处理器（DSP）和可程序逻辑（PLD）。实际上，市场上仍存在着半导体供货商尚未涉及的真空地带。

FPGA供货商正提供数量超过百万系统闸的更大型FPGA来满足中等批量、易于修改、周转快的SoC需求。处理器的IP软核心及其它小型IP功能模块可让设计者在FPGA上实现处理器、内存和逻辑功能，而无需从头建立所有的功能模块。

由于相对于较大的芯片尺寸，这些高密度FPGA仍有不少局限之处，如较大的占用面积、较大的功耗和较高的成本。另外，FPGA逻辑电路的粗糙型结构也不是实现处理器核心的最有效途径。

FPGA供货商的盲点

一个微控制器作为离散组件来购买只需6美元，而在高密度FPGA中作为IP软模块来实现可能要花60美元。这些组件对于目前竞争激烈的市场来说太过昂贵。因此，高密度FPGA主要用于ASIC原型设计（prototype design），然后再转换成ASIC实现，或成本与功耗是次要因素的应用场合，例如蜂窝基地站和高级网络基础设施。

在功耗、面积和成本是主导因素的应用中，事实已经证明FPGA供货商藉由大型FPGA组件向所有设计商推荐SoC技术的努力失败。

PsoC的应用

半导体行业怎样才能向设计商推广系统级整合方案呢？解决方案是创建混合产品，即可程序系统级芯片（programmable SoC；PSoC），它可以在一块现成的可程序芯片上提供系统级整合。

许多IC供货商已经在可程序系统级整合的实现上迈出了可喜的步伐。这些新组件所提供的系统级功能包括处理器、内存和可程序逻辑，而没有与ASIC相关的NRE费用或较长的制造周期问题。

可程序系统级芯片还具有和光罩ASIC一样的高整合度（低功率、小尺寸、低成本）及和FPGA一样的低风险、灵活性和快速上市的特性。目前已有几家IC供货商能够提供这种类型的可程序SoC。Atmel公司于1999年开发出首个基于RISC的现场可程序系统级集成电路（FPSLIC），FPSLIC组件现已量产。Xilinx和Altera公司也于2000年宣布开发出各自的可程序系统级产品，预计在2001年投产。

这三家供货商都在单片可程序IC上整合了一个微控制器，并带有不同密度的可程序逻辑、内存和外围组件。因此设计商可以充分利用系统级整合的优势，而不用担心与光罩ASIC有关的复杂性和风险问题。事实上，在设计商的桌面上就可直接完成SoC设计。