سيستم بر مبناي چيپ SoC

[Poorya_Lion 4740]

با نام و یاد خدا .

سیستم بر روی یک تراشه و یا سیستم بر روی چیپ (SOC یا SoC) اشاره دارد به یکپارچه سازی تمام قطعات کامپیوتر و یا سایر قطعات الکترونیکی سیستم به یک مدار مجتمع (تراشه). كه اين مدارها ممکن است حاوی سيگنالهاي دیجیتال ، آنالوگ و يا سیگنالهاي مخلوط و يا اغلب امواج رادیویی با فرکانس هاي مختلف - همه در بستر تراشه منفرد - باشند. و کاربرد معمولی آنها در زمینه سیستم های توسعه يافته است.

میکروکنترلرها معمولا ميزان 100Kb (که اغلب فقط چند كيلو بايت) از رم را اشغال مي كنند و اغلب سيستم هاي تک تراشه اي هستند ، در حالی که SoC از پردازنده های قوی تر استفاده می كنند كه قادر به اجرای بسته هاي نرم افزاری مانند ویندوز یا لینوکس هستند ، که نیاز به حافظه خارجی تراشه ها مثل (فلش ، رم) را دارد. به طور خلاصه ، برای سیستم های بزرگ تر ، سیستم بر مبناي چيپ، كمي اغراق آميز است .افزایش ادغام چیپ ها به منظور کاهش هزینه های ساخت و توليد سیستم های کوچکتر است.

بسیاری از سیستم های جديد بسیار پیچیده تر از آن هستند كه به تنهایی بر یک تراشه ساخته شده و با فرایندي بهینه سازی شوند و تنها یکی از وظایف سیستم را بر عهده بگيرند.

وقتي كه امكان بناكردن يك سيستم بر پايه SoC براي يك عمليات خاص وجود ندارد ، راه كار مناسب System in package (SiP) يا سيستم بسته بندي شده است كه مشتمل بر تعدادي چيپ كه در يك بسته فشرده سازي شده اند است. در ابعاد بزرگتر باور اصلي بر آن است كه SoC ارزش بيشتري نسبت به SiP دارد.

براي مثال مي توان كاربرد اين سيستم را در تلفن هاي همراه بسيار پيشرفته مشاهده كرد. سيستم SoC شامل تعدادي پردازنده و تعداد بي شماري دستگاه هاي جانبي است و با گره هايي با نام ball به يكديگر متصل مي شوند و اولويت اتصال بيشتر و كمتر نسبت به يكديگر دارند. گره هاي پايين تر به برد اصلي و تعدادي از دستگاه هاي جانبي متصلند و از طرف ديگر به گره هاي بالاتر متصلند و گره هاي بالاتر به باس حافظه اصلي و گيت هاي NAND متصلند.

ساختمان اصلي :

ساختار يك سيستم SoC شامل :

• یک میکروکنترلر ، ریزپردازنده یا هسته (ها) DSP . برخی از SoC ها چند پردازشي نام دارند ( MPSoC )Multiprocessor System-on-Chip -- كه شامل بیش از یک هسته پردازنده هستند.

• بلوک هاي حافظه شامل مجموعه ای از ROM، RAM، EEPROM و flash .

• منابع زمان بندی اسیلاتورهای و حلقه هاي فاز قفل شده (oscillators and phase-locked loops) .

• لوازم جانبی از جمله شمارنده و تایمرها ، تايمر زمان واقعی و ژنراتور روشن كننده و ريست كننده.

• واسط هاي خارجی از جمله استانداردهای صنعتي مانند یواس بی ، FireWire ، اترنت ، USART ، SPI .

• واسط هاي آنالوگ از جمله ADCs و DACs .

• تنظیم کننده های ولتاژ و مدارهاي مديريت قدرت (Power Management).

این بلوک ها توسط استانداردهاي صنعتي گذرگاه به يكديگر متصل شده اند (AMBA).

طراحي جريان :

يك سيستم SoC شامل دو قسمت است ، 1. سخت افزاري كه در بالا مطرح شد و 2. نرم افزاري كه كنترل ميكروكنترلرها ، ريزپردازنده ها يا هسته هاي DSP ، دستگاه هاي جانبي و واسط ها را بر عهده دارد. هدف از طراحي جريان يك SoC توسعه سخت افزار و نرم افزار به صورت موازي و برابر است. بيشتر SoC ها از بلوك هاي سخت افزاري پيش شرطي براي توصيف قسمت هاي سخت افزاري ، به همراه درايورهاي نرم افزاري توسعه يافتند.

از نكات مهم ديگر پروتكل هاي پشته (Stack) را مي توان نام برد كه براي راه اندازي واسط هاي صنعتي به كار مي روند ، مثل USB .

گام اصلي در طراحي جريان نمونه سازي است : سخت افزار بر روي پلت فرم نمونه سازي بنا مي شود كه طبق field programmable gate array (FPGA) طراحي شده باشد كه تقليدي از نمونه SoC مي باشد و نرم افزار آن بر روي حافظه نمونه ساز بار شده است.

بعد از يك بار برنامه ريزي پلت فرم ، نمونه ساز قادر خواهد بود سخت افزار و نرم افزار SoC را براي پيدا كردن باگ ها (Bug) در سرعت هاي عملياتي تست كند.(نمونه سازها عموماً نرم افزارهاي بسيار سنگيني هستند. در حقيقت FPGA ها اصولاً براي بالا بردن سرعت و كارايي به كار مي روند )

بعد از نمونه سازي ، سخت افزار SoC فاز مكان و ريشه (place and route) را در طراحي مدار مجتمع دنبال مي كند.

تراشه ها قبل از ارسال به كارخانه از لحاظ منطقي تصحيح و چك مي شوند. اين پرسه functional verification يا بازرسي اصلي نام دارد و زمان و انرژي قابل توجهي را براي طراحي و طول عمر بالاي تراشه ها به خود اختصاص مي دهد (اگرچه در 70% موارد اغراق نيز صورت مي گيرد).

Verilog و VHDL نمونه هايي از زبان توصيف سخت افزار هستند كه براي تائيد سخت افزار به كار مي روند (hardware description languages).

با گسترش پيچيدگي چيپ ها ، زبان تائيد سخت افزار مثل SystemVerilog ، SystemC و OpenVera نيز به كار مي روند (hardware verification languages) . باگ هاي تشخيص داده شده در اين مراحل به طراح گزارش داده خواهد شد.

ساخت :

SoC ها مي توانند توسط چندين تكنولوژي كه شامل موارد زير است ساخته شوند:

• Full custom

• Standard cell

• FPGA

طراحي SoC معمولاً قدرت مصرفي و هزينه كمتر و در عين حال اطمينان بالاتر را نسبت سيستم هاي چند چيپي ، به دنبال دارد. و با بسته بندي كمتر سوار كردن قطعات در كنار يكديگر نيز آسان تر مي شود.

اگرچه مثل بيشتر طراحي هاي VLSI هزينه كلي و پاياني يك چيپ بزرگ يكپارچه بيشتر از چند چيپ كوچك جدا از هم مي باشد.

منبع :لینک مطلب

ترجمه و برگردان : پوریا شعبانی