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片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)簡單來說 SoC芯片是在中央處理器CPU的基礎(chǔ)上擴展音視頻功能和專用接口的超大規(guī)模集成電路，是智能設(shè)備的“大腦”。應(yīng)用處理器AP(Application Processor)是SoC中包含CPU在內(nèi)的所有計算芯片的集成物。智能手機SoC通常包含AP和基帶處理器BP等，AP負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的運行，BP負(fù)責(zé)收發(fā)無線信號。有時將AP和SoC混用。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)MCU已經(jīng)不能完全滿足智能終端的需求，SoC應(yīng)運而生，憑借其性能強、功耗低、靈活度高的特點，使單芯片能夠完成完整的電子系統(tǒng)。SoC在移動計算(例如智能手機和平板電腦)和邊緣計算市場中非常普遍。它們也常用于嵌入式系統(tǒng)，如WiFi路由器和物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前 SoC已成為功能最豐富的硬件，集成了 CPU、GPU、RAM、ADC、DAC、Modem、高速DSP 等各個功能模塊，部分SoC還集成了電源管理模塊、各種外部設(shè)備的控制模塊，同時還需要考慮各總線的分布利用等。

IP 核(Intellectual Property Core)，即知識產(chǎn)權(quán)核，在集成電路設(shè)計行業(yè)中指已驗證、可重復(fù)利用、具有某種確定功能的芯片設(shè)計模塊。SoC是以IP模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計技術(shù)，IP是SoC應(yīng)用的基礎(chǔ)。IP 核可以劃分為CPU、GPU、DSP、VPU、總線、接口等6個類別，也可按軟核、固核、硬核分類。

1990年IP龍頭Arm開創(chuàng)了IP核授權(quán)模式。Arm負(fù)責(zé)芯片架構(gòu)設(shè)計，并將IP核授權(quán)給Fabless廠商。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路(IC)逐漸向集成系統(tǒng)(IS)轉(zhuǎn)變，IC設(shè)計廠商趨向于將復(fù)雜功能集成到單硅片上，SoC的概念逐漸形成。例如，三星等廠商根據(jù)產(chǎn)品需求將基于ARM架構(gòu)的CPU處理器和各類外圍IP組合得到包含許多組件的SoC，根據(jù)不同應(yīng)用需求，內(nèi)部組件封裝不盡相同。1994 年Motorola發(fā)布的Flex Core系統(tǒng)和1995年LSILogic公司為Sony公司設(shè)計的SoC, 是基于IP核完成SoC設(shè)計的最早報導(dǎo)。

典型的SoC包括以下部分：

  ? 一個或多個處理器內(nèi)核，可以是MCU、MPU、數(shù)字信號處理器或?qū)Ｓ弥噶罴幚砥鲀?nèi)核

  ? 存儲器：可以是RAM、ROM、EEPROM或閃存

  ? 用于提供時間脈沖信號的振蕩器和鎖相環(huán)電路

  ? 由計數(shù)器和計時器、電源電路組成的外設(shè)

  ? 不同標(biāo)準(zhǔn)的連線接口，如USB、火線、以太網(wǎng)、通用異步收發(fā)

  ? 用于在數(shù)字信號和模擬信號之間轉(zhuǎn)換的ADC/DAC

  ? 電壓調(diào)理電路及穩(wěn)壓器

SoC是系統(tǒng)級的芯片，可能包含許多MCU，適用于具有更多要求和更復(fù)雜的應(yīng)用程序。SoC是一個完整的單芯片計算機系統(tǒng)，能夠執(zhí)行具有更高資源需求的復(fù)雜任務(wù)。

SoC指令集：指令集是CPU的一種設(shè)計模式，分為精簡指令集RISC和復(fù)雜指令集CISC兩種。其中，ARM、MIPS、Power、Alpha等均是基于RISC架構(gòu)，X86則是基于CISC的架構(gòu)。?X86架構(gòu)占據(jù)了服務(wù)器和桌面領(lǐng)域的壟斷地位，ARM架構(gòu)占據(jù)了嵌入式領(lǐng)域的絕大部分市場，而MIPS、Power、RISC-V等也在相關(guān)特殊領(lǐng)域占有一定的市場份額。?SoC處理器內(nèi)核通常都使用ARM、RISC-V指令集架構(gòu)，因為在嵌入式和移動計算市場中面積和功率通常受嚴(yán)格限制。

大多數(shù)指令集架構(gòu)都受到專利保護(hù)，如x86、MIPS、Alpha，遏制了創(chuàng)新發(fā)展。先前的指令集架構(gòu)較復(fù)雜，且應(yīng)用領(lǐng)域較單一，且不便于對特定應(yīng)用進(jìn)行自定義擴展，缺乏適用于多個領(lǐng)域的統(tǒng)一架構(gòu)。為此，加州大學(xué)伯克利分校研究人員設(shè)計了新的指令集架構(gòu)RISC-V，并以BSD授權(quán)的方式開源。近兩年RISC-V架構(gòu)大熱，生態(tài)也發(fā)展較快，比較適合低功耗的應(yīng)用場景，其開源、精簡、可修改等特點決定了RISC-V將在物聯(lián)網(wǎng)時代擁有巨大的發(fā)展前景，未來很可能發(fā)展成為世界主流指令結(jié)構(gòu)之一。