System-on-Chip-Grundlagen: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für Anfänger

Was ist ein System on Chip?

Ein System on Chip (SoC) ist ein integrierter Einzelchip-Schaltkreis, der alle oder die meisten Teile eines Computers oder eines anderen elektronischen Systems enthält, was bedeutet, dass sich jede Systemkomponente, einschließlich CPU, Speicher, E/A-Schnittstellen und sekundäre Speicherschnittstellen, auf einem einzigen Chip befindet.

Wie funktionieren SoCs?

SoCs arbeiten mit einer Reihe unterschiedlicher Technologien. Das Herzstück dieser Technologie ist der Mikroprozessor. Das Gehirn des SoCs, der Mikroprozessor, verwaltet und steuert alle anderen Teile. Eine gängige Verarbeitungsarchitektur wie ARM oder x86 dient als Grundlage für den Mikroprozessor. Speicher, E/A-Schnittstellen und zusätzliche Speicherschnittstellen sind nur einige der weiteren Teile, die neben dem Mikroprozessor in SoCs zu finden sind. Daten und Programme werden im Speicher gespeichert. Über die E/A-Schnittstellen ist das SoC mit anderen Geräten wie Sensoren, Displays und Netzwerken verbunden. Daten, die gerade nicht vom SoC verwendet werden, werden über die sekundäre Speicherschnittstelle gespeichert.  

Video zur Funktionsweise von SoCs

Spezifische Funktionsweise von SoCs

Die Interaktion zwischen einem SoC und seinen Peripheriegeräten ähnelt stark der eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers. der einzige Unterschied besteht darin, dass in diesem Fall die Peripheriegeräte in den Chip selbst (auf demselben Substrat) integriert sind. Diese On-Chip-Integration aller benötigten Komponenten hat eine Reihe von Vorteilen und eignet sich für eine breite Palette von Anwendungen.

• Geringer Stromverbrauch
• Niedriger Preis
• Wirklich vertrauenswürdig
• Winziger Formfaktor
• Hohe Integrationsgrade
• Schnelle Leistung
• Höheres Design
• Kleine Größe

Einige Kompromisse sind:

• Herstellungskosten.
• Eine Zunahme der Komplexität.
• Anforderungen an die Markteinführungszeit.
• Weitere Überprüfung.

SoC-Design-Flow

Herausforderungen beim SoC-Design

• Architekturstrategie

Ein entscheidender zu berücksichtigender Faktor ist der Prozessortyp, den wir für die Erstellung des SoC auswählen. Eine weitere Entscheidungsfrage ist der Bustyp, der verwendet werden muss.

• Design für Teststrategie

Die meisten typischen physischen Mängel werden in diesem Paradigma als Fehler dargestellt. Während die in das SoC-Design integrierten wesentlichen Schaltkreise bei der Fehlerprüfung helfen.

• Validierungsstrategie

Bei der Validierungsstrategie für SoC-Designs gibt es zwei Hauptprobleme. Wir müssen zuerst die IP-Kerne prüfen, was das erste Problem ist. Das zweite Problem ist, dass wir die Integration des Systems prüfen müssen.

• Synthese und Backend-Strategie

Bei der SoC-Synthese und -Strategie muss eine Vielzahl physikalischer Einflüsse berücksichtigt werden. IR-Abfall, Übersprechen, 3D-Rauschen, Antenneneffekte und EMI-Effekte sind nur einige Beispiele. Um diese Probleme zu lösen, müssen in den frühen Entwurfsphasen Chipplanung, Energieplanung, DFT-Planung, Taktplanung, Timing und Flächenbudgetierung berücksichtigt werden.

• Integrationsstrategie

Alle oben genannten Informationen müssen berücksichtigt und in der Integrationsstrategie zusammengefasst werden, um einen erfolgreichen Plan zu erstellen.

• On-Chip-Isolierung

Bei der Diskussion der On-Chip-Isolierung müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Auswirkungen der Prozesstechnologie, Erdungseffekte, Schutzringe, Abschirmung und On-Chip-Entkopplung.  

Anwendungen von SoCs

SoCs werden am häufigsten in der Mobilgerätebranche eingesetzt. Die Verwendung von SoCs hat es den Herstellern solcher Geräte ermöglicht, Geräte mit sehr kleinem Formfaktor zu entwickeln, die ausreichend Leistung bieten. Außerdem können sie sich auf Funktionen konzentrieren, die sie den Zielkunden bieten, anstatt sich auf die Fähigkeiten von Chips anderer Unternehmen zu verlassen. SoCs haben auch eine Revolution bei eingebetteten Systemen ausgelöst, indem sie den Weg für sehr kleine und tragbare Einplatinencomputer geebnet haben. Ausführlichere SoC-Anwendungen und SoC-Beispiele finden Sie unter System on Chip vs. System on Module: Enthüllung der wichtigsten Unterschiede zwischen ihnen.  

Wie wählt man ein SoC aus?

Bei der Auswahl eines SoC für Ihr bevorstehendes Projekt müssen viele Dinge berücksichtigt werden. Diese Elemente bestehen aus:

• Das Softwareprogramm, das Sie erstellen: Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche SoCs und umgekehrt. Wenn Sie beispielsweise ein Smartphone entwickeln, benötigen Sie ein SoC mit einer leistungsstarken CPU und GPU.
• Die Kosten: Die Kosten eines SoC können von einigen Dollar bis zu Hunderten von Dollar reichen. Es ist wichtig, ein SoC auszuwählen, das in Ihr Budget passt.
• Die Eigenschaften: Die Funktionen verschiedener SoCs variieren. Einige SoCs verfügen über WLAN und Bluetooth, andere nicht. Es ist wichtig, ein SoC mit der Funktionalität auszuwählen, die Ihre Anwendung erfordert.
• Entwicklungstools: Für einige SoCs sind leichter verfügbare Entwicklungstools verfügbar als für andere. Es ist wichtig, ein SoC mit den Entwicklungstools auszuwählen, die Sie benötigen.

Wie verwende ich ein SoC?

Nachdem Sie ein SoC ausgewählt haben, müssen Sie lernen, wie man es verwendet. Sie können lernen, wie man SoCs mithilfe einer Vielzahl von Ressourcen verwendet. Diese Quellen umfassen:

• Website des SoC-Herstellers: Die meisten SoC-Hersteller haben eine Website, auf der sie Anleitungen und Material zur Verwendung ihrer SoCs veröffentlichen.
• Online-Foren: In zahlreichen Online-Foren können Sie Fragen stellen und andere SoC-Benutzer um Hilfe bitten.
• Bücher: In zahlreichen Büchern können Sie den Umgang mit SoCs erlernen.

Fazit

SoCs sind eine leistungsstarke Technologie, die auf viele verschiedene Arten eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, die auf diskreten Komponenten basieren, bieten sie eine Reihe von Vorteilen, darunter geringere Größe, geringeres Gewicht, geringerer Stromverbrauch, verbesserte Leistung und niedrigere Preise. SoCs werden in einer Vielzahl von Geräten immer häufiger eingesetzt und werden in Zukunft zweifellos noch viel wichtiger werden.