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打工人日报#20250922

news 2025/9/23 10:10:51

打工人日报#20250922

周一

知识点

System on Chip（SoC，片上系统）

定义：SoC 是一种将多个功能模块集成在一个芯片上的集成电路设计技术。它把处理器、存储器、各种接口（如通信接口、传感器接口等）以及其他必要的电路模块整合到单一芯片中，构成一个完整的系统。
特点与优势：
高度集成：减少了电路板上的元件数量，缩小了系统体积，降低了功耗。例如，手机中的 SoC 芯片集成了 CPU、GPU、基带处理器等多种功能模块，使得手机能够在小巧的机身内实现复杂的通信、计算和多媒体处理功能。
成本降低：由于将多个功能集成在一个芯片上，减少了芯片间的连接和封装成本，同时提高了生产效率，降低了整体成本。
性能提升：片上各模块之间的通信距离短，数据传输速度快，能够有效提升系统的整体性能。例如，SoC 中处理器与高速缓存之间的紧密集成，使得数据读取和处理速度更快。
应用领域：广泛应用于消费电子（如智能手机、平板电脑、智能手表）、汽车电子（如车载多媒体系统、自动驾驶芯片）、物联网设备（如智能传感器、智能家居控制芯片）等众多领域。

基于 ASIC 的 SoC

ASIC 定义：ASIC（Application - Specific Integrated Circuit）即专用集成电路，是为特定应用需求而专门设计和制造的集成电路。与通用集成电路（如微处理器、存储器等）不同，ASIC 是针对某一特定功能或应用进行定制化设计的。
基于 ASIC 的 SoC：这种 SoC 是以 ASIC 技术为基础构建的。在设计过程中，会根据特定的系统需求，将定制化的 ASIC 模块与其他通用或专用的 IP 核（知识产权核，如处理器 IP 核、通信接口 IP 核等）集成到一个芯片上。
优势：
高性能：ASIC 部分可以针对特定应用进行优化设计，实现更高的性能。例如，在图像处理的 SoC 中，ASIC 设计的图像信号处理模块可以高效地处理图像数据，满足实时处理的需求。
低功耗：由于 ASIC 是为特定功能定制的，其电路结构相对精简，能够降低功耗。在一些对功耗要求严格的物联网设备的 SoC 中，基于 ASIC 的设计可以延长设备的电池续航时间。
局限性：设计成本高、设计周期长，一旦设计完成后难以修改，不适合需求变化频繁的应用场景。

System - on - Programmable - Chip（SOPC，可编程片上系统）

定义：SOPC 是一种灵活的、可裁剪的片上系统解决方案，它将处理器内核、可编程逻辑资源（如 FPGA 中的逻辑单元）、存储器以及各种接口等集成在一个芯片上，并且可以通过编程来配置和定制系统功能。
特点：
灵活性与可重构性：用户可以根据自己的需求对芯片内的可编程逻辑资源进行编程配置，实现不同的功能。例如，在产品开发过程中，如果需求发生变化，可以通过重新编程来调整系统的功能，而不需要重新设计芯片硬件。
缩短开发周期：利用已有的处理器内核和 IP 核，结合可编程逻辑资源，开发者可以快速搭建出满足特定需求的系统，大大缩短了产品的开发周期。比如在一些小型科研项目或快速迭代的产品开发中，SOPC 可以快速验证系统方案。
应用场景：常用于科研项目、产品原型开发、小批量定制产品等领域，在需要快速实现功能验证和灵活调整系统功能的场景中具有明显优势。

集成电路

小规模集成电路（SSI）

出现时间：于 1960 年出现。
集成度：在一块硅片上包含 10-100 个元件或 1-10 个逻辑门。
常见类型：如逻辑门和触发器等。
特点：电路结构简单，功能较为单一，通常用来实现简单的逻辑功能。
应用场景：可作为基本逻辑单元，用于构建更复杂的数字电路，如在一些简单的控制电路、计数器的基础模块等中使用。
中规模集成电路（MSI）
出现时间：1966 年出现。
集成度：在一块硅片上包含 100-1000 个元件或 10-100 个逻辑门。
常见类型：如集成计时器、寄存器、译码器等。
特点：功能比小规模集成电路强，但不像大规模集成电路那样功能专一化，品种较多，但有时不能完全符合使用者的要求，常需多片级联以扩展功能。
应用场景：常用于实现一些具有特定功能的数字电路模块，如在数字显示系统中的译码驱动电路、数据存储中的寄存器组等。
大规模集成电路（LSI）
出现时间：1970 年出现。
集成度：在一块硅片上包含 10³-10⁵个元件或 100-10000 个逻辑门。
常见类型：如半导体存储器、某些计算机外设的控制芯片等。
特点：集成了大量的元件和逻辑门，能够实现较为复杂的功能，如存储大量数据、完成较为复杂的运算和控制功能等。
应用场景：广泛应用于计算机、通信等领域，如计算机的内存芯片、硬盘的控制电路等。
超大规模集成电路（VLSI）
出现时间：20 世纪 70 年代后期研制成功。
集成度：在一块芯片上集成的元件数超过 10 万个，或门电路数超过万门。
常见类型：计算机里的控制核心微处理器是最典型实例，还有各种复杂的专用芯片，如图像处理芯片、网络通信芯片等。
特点：集成度高，能够将一个电子分系统乃至整个电子系统 “集成” 在一块芯片上，完成信息采集、处理、存储等多种功能，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的优点。
应用场景：几乎涵盖了所有现代电子领域，包括智能手机、平板电脑、服务器、汽车电子、人工智能设备等，是推动现代电子技术快速发展的关键技术之一。

Freeman 专利

专利名称：由可配置的逻辑元器件及互联组成的可配置电路（Configurable electrical circuit having configurable logic elements and configurable interconnects）。
专利号：美国专利 4870302。
公布日期：1989 年 9 月 26 日。
内容：提出了 FPGA 的基础概念，让芯片可以像一个空白的磁带，工程师能在上面编程增添功能，打破了传统集成电路功能固定的限制，使得芯片的逻辑功能可通过编程来改变。例如，在 XC2064 芯片中采用了 4 输入、1 输出的 LUT 和 FF 相结合的基本逻辑单元，为 FPGA 的发展奠定了基础。

Carter 专利

背景：William S. Carter 加入 Xilinx 后，发明了更高效的 FPGA 单元间连接方法。
意义：极大地提升了 FPGA 内部逻辑单元之间的通信效率和灵活性，让 FPGA 能够实现更复杂的功能和更大规模的电路设计。例如，在进行大规模数字信号处理时，高效的连接方法能够减少信号传输延迟，提高处理速度。