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Virginia Polytechnic Institute and State University
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DSP数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器，主要用于实时快速地实现各种数字信号处理算法
    定点运算DSP数字信号处理器在应用中已取得了极大的成功，而且仍然是DSP应用的主体。然而，随着对DSP处理速度与精度、存储器容量、编程的灵活性和方便性要求的不断提高、自80年代中后期以来，各DSP生产厂家陆续推出了各自的32bit浮点运算DSP。
定点DSP指令集
定点DSP指令集是按两个目标来设计的：
· 使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。
· 将存贮DSP程序的存储器空间减到最小（由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP应用中尤为重要）。
和定点运算DSP相比，浮点运算DSP具有许多优越性：
　　浮点运算DSP比定点运算DSP的动态范围要大很多。定点DSP的字长每增加1bit,动态范围扩大6dB。16bit字长的动态范围为96dB。程序员必须时刻关注溢出的发生。例如，在作图像处理时，图像作旋转、移动等，就很容易产生溢出。这时，要么不断地移位定标，要么作截尾。前者要耗费大量的程序空间和执行时间，后者则很快带来图像质量的劣化。总之，是使整个系统的性能下降。在处理低信噪比信号的场合，例如进行语音识别、雷达和声纳信号处理时，也会发生类似的问题。而32bit浮点运算DSP的动态范围可以作到1536dB，这不仅大大扩大了动态范围，提高了运算精度，还大大节省了运算时间和存储空间，因为大大减少了定标，移位和溢出检查。

　　由于浮点DSP的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其处理速度大大高于定点DSP。这一优点在实现高精度复杂算法时尤为突出，为复杂算法的实时处理提供了保证。

　　32bit浮点DSP的总线宽度较定点DSP宽得多，因而寻址空间也要大得多。这一方面为大型复杂算法提供了可能、因为省的DSP目标子程序已使用到几十MB存储器或更多；另一方面也为高级语言编译器、DSP操作系统等高级工具软件的应用提供了条件。
　　DSP的进一步发展，必然是多处理器的应用。新型的浮点DSP已开始在通信口的设置和强化、资源共享等方面有所响应
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TI科学家谈浮点DSP未来发展

自十多年前浮点数字信号处理器(DSP)诞生以来，便为实时信号处理提供了算术上更为先进的备选方案。不过，定点器件至今仍是业界的主流--当然低成本是主要原因。定点DSP每器件产品的价格很低，这对大规模大众市场应用而言是相当重要的优势。

相比较而言，浮点DSP能够实现更快速而简便的开发，因此对开发成本比单位制造成本重要的小规模应用而言，更是最佳的选择。

最近几年，高密度集成与支持改善使两种DSP在使用方便性与成本上都较为接近。目前，器件类型的选择越来越取决于应用数据集是否要求浮点格式的更多计算功能。因此，设计大规模量产信号处理应用的开发人员现在开始发现浮点格式更多的内在价值。他们将视线投向传统定点DSP开发模式之外的领域，并探索浮点 DSP 所带来的设计机遇。

不同的数字格式

定点与浮点DSP的基本差异在于它们各自对数据的数字表示法不同。定点硬件严格执行整数运算，而浮点 DSP 既支持整数运算又支持实数运算，后者以科学计数法进行了标准化。字长为 16 位的定点 DSP 实现 (rovide) 64K 的精度，带符号整数值范围为 -215 至 215-1。

与此相对比，浮点DSP将数据路径分为两部分：一是可用作整数值或实数基数的尾数，二是指数。在支持业界标准单一精确运算的32位浮点DSP中，尾数为24位，指数为8位。由于其较长的字长与取幂范围，该器件支持 16M 的精度范围，这样的动态范围大大高于定点格式可提供的精确度。实施业界标准双精度（64 位，包括一个 53 位的尾数与 11 位的指数）的器件还可实现更高的精确度。

成本与方便易用性

浮点 DSP 提供的计算能力更高，这也是其区别于定点 DSP 功能的最大差异所在。但在浮点 DSP 刚刚出现的20世纪90年代初期，其它因素往往掩盖了基本的数学计算问题。浮点功能需要的内部电路多，而 32位数据路径比当时可用的定点器件要宽一倍。晶片面积越大，引脚数量就越多，封装也越大，这就大大提高了新款浮点器件的成本，因此数字化语音与电信集成卡(concentration card)等高产量应用仍更倾向于采用较低成本的定点器件。

当时，方便易用性抵消了成本问题带来的不利影响。浮点器件是最早支持 C 语言的 DSP 之一，而定点 DSP则仍须在汇编代码级上进行编程。此外，对浮点格式而言，实数运算可直接通过代码加入硬件运算中，而定点器件则必须通过软件才能间接执行实数运算，这就增加了算法指令并延长了开发时间。由于浮点 DSP 易于编程，因此其最初主要用于开发工作强度较大的情况，如研究、原型开发、影像识别、工作站的三维图像加速器以及雷达等军用系统。

逐渐趋同

目前，早先的成本与易用性间的差异已经不那么明显了。总体说来，定点DSP仍然在成本上有优势，而浮点 DSP 仍然在易用性上有优势，但差别已经缩小很多，因此上述因素已经不再起决定作用了。

成本日益成为片上系统(SoC)集成与产量的问题，而不是DSP内核本身大小的问题。在十年前还只能放置单个晶体管的空间，目前可放置数十个晶体管。目前，占据晶片面积最多的是存储器，而不是逻辑，而且许多基于DSP的产品都充分利用再扩展(rescaling)的优势，针对具体市场的需求集成了不只一个内核。定点DSP的成本仍然较低，因为其针对大众市场应用的产量很高；但是，如果大规模量产的需求出现，那么浮点器件也将受益于规模效益带来的同样的成本降低。

早期在易用性方面的差异也已经减小。高效的C编译程序与工具早已能支持定点DSP，为代码执行带来了可视性。直接采用浮点硬件实施实数运算仍有优势；但目前先进的建模工具、完整的数学函数库以及现成的算法降低了为定点器件开发复杂应用的难度。

浮点的精确度

目前，选用定点DSP还是浮点DSP归根结底在于应用数据集是否需要浮点算术功能。总体说来，设计人员应解决两个问题：数据集要求多高的精确度？数据集的可预见度有多大？

三个因素影响着浮点格式的内在高精度。首先，浮点DSP的24位I/O字长在整数与实数值方面可实现比定点器件中常用的16 位字长更高的精确度。第二，取幂大幅提高了应用可用的动态范围，较大的动态范围对处理极大数据集以及难以方便预计数据集范围的情况相当重要。第三，浮点硬件内部的数据表示法比定点器件更为精确，这就保证了最终结果的精确度更高。

最后一点应稍做解释。在DSP的内部架构中，三种数据字长相当重要，应当考虑。第一是I/O信号字长，正如我们已经说过的那样，其就浮点而言为24位，就定点DSP而言通常为16位。第二就是用于乘法的系数字长。定点系数为16位，与信号数据相同；但浮点系数则可能为24位或53位，这取决于所用的是单宽度精度还是双宽度精度。如果指数表示有意义的零，则精确度实际上会超过上述位数。

最后，就是保存乘加器(MAC)运算中间结果的字长，通常称作寄存器文件。对单一16位乘以16位的乘法而言，将需要32位的乘积；而就单一24位乘以24位的尾数乘法而言，则需48位的乘积（指数有不同的数据路径）。但是，MAC 需要额外的位用于溢出空间 (overflow headroom)。在16位定点器件中，溢出空间通常为 8 位，这就使总的中间结果字长为 40 位(16 个信号+16 个系数+8 个溢出)。

将相同大小的溢出空间集成到浮点DSP中将需要60个中间结果位（24个信号+24个系数+12个溢出），这将超过大多数应用对精度的要求。但就取幂而言，我们将结果标准化，这样所有24位或53位都有效，溢出位就不必要了。TI的TMS320C67x系列等浮点DSP允许开发人员在双精度内部运算与单精度I/O结合的模式下优化精确度与性能。其结果是得到的精确度比定点或单精度浮点运算提供的精确度高得多，但又不会产生完全双精度 I/O 带来的周期问题。

视频与音频数据集要求

将视频与音频应用的数据集要求加以对比，就很容易看出使用浮点格式的优势。视频的采样率很高，其像素数据采样率相当于每秒数十乃至数百个兆位 (Mbps)，具体的值决于应用。像素数据通常以 8 至 12 位的短字表示，每一位代表影像的红、绿、蓝(RGB)位面。业界标准的MPEG视频压缩算法的关键数学运算包括离散余弦变换(DCT)与量化，且过滤有限。DCT与量化采用整数运算就能有效处理，它与短数据字相结合使得视频成为定点DSP很自然的应用，特别对那些设计有大量并行数据路径与片上视频接口的情况更是如此。

另一方面，音频的数据流更为有限，对 24 位采样且每秒 48 千个采样 (ksps) 的速度而言，约为1Mbps的速度。新兴的采样率为192ksps，为该数据速率的四倍，但其数据流仍然大大低于视频流。不过音频数据的处理必须比视频精确得多。眼睛很容易就被欺骗，特别当影像运动时更是如此；但耳朵就很难欺骗了。因此音频需要浮点硬件提供的更大的字长。

使用完全24位浮点I/O精度来进行声音采样，这就得到144dB的动态范围，大大超出了声音复制所需的全振幅范围。此外，音频还要求宽系数与中间结果提供的精确度，其原因有二。首先，音频应用通常使用串联无限脉冲响应滤波器(IIR)以实现最低时延与最高性能。但串联过滤每一级都会传播上一级的错误。信号与系数字长越长，精确度越高，上述传播错误的影响就越小。

第二，在接近于零时必须保持信号精确度，以避免人耳可以分辨的谐波失真。浮点格式从本质上说与人耳的敏感度配合得很好，因为它在分数趋近于零时会变得更精确。相反，定点系统在分数极小的情况下会取近似值等于零，这就降低了精确度。所有上述浮点实数算法方面都对真实复制音频信号至关重要。

尽管过去常用定点器件实现高保真音频，但目前则转向采用精确度更高的浮点格式。某些浮点DSP集成了多通道音频串行端口 (McASP)，从而简化了音频系统的设计，这就为上述发展趋势提供了支持。随着最新型音频创新在消费类电子产品中的日益普及，对浮点DSP的需求也将上升，这也有助于让其成本更接近于定点 DSP。

其他数据集

其它类型应用的数据集也可受益于浮点的精确度。在医疗影像识别中，更高的精确度能够支持许多层次的信号输入，包括光、X射线、超声波与其它来源的输入等，它们都必须进行定义与处理，以生成提供有用诊断信息的输出影像。动态范围较大对雷达至关重要，这种情况下，系统应能够在从零到无穷大的范围内进行跟踪，而只用整个范围的一个较小的子集进行目标捕获与识别。动态范围较大也有助于让机器人处理不可预见的情况，如在机器人正常有限的运动范围中遇到的障碍等。与上述应用形成对比的是，定点器件为巨大的通信市场提供更好的服务，因为大多数通信数据都是以八位字节串行传输，随后进行内部扩展以根据整数运算进行 16 位处理。

近年来，随着数字信号处理领域不断发展，DSP也由应用推动发展。SoC集成意味着更多的存储器和不同的内核与专用外设一起均能集成到同一器件上，这就使DSP产品能够按特定市场的需求进行定制。在此环境中，浮点功能已成为整体 DSP 产品组合中的另一要素。

定点DSP与浮点 DSP

之间在成本与易用性方面仍有某些差异，但随着时间的推移，上述差异已经不大。对设计人员最具重要性的特性在于浮点格式具有更高的算术灵活性与精确度。对高保真音频以及需要实数运算、更高精确度与较大动态范围的其它数据集应用而言，浮点 DSP 是最佳的解决方案。

作者：Gene Frantz（方进）


德州仪器(TI)首席科学家兼 TI 负责数字信号处理的业务开发经理


Ray Simar


TI 科学家兼 TI 负责数字信号处理的高级架构开发经理

1,TTL电平(什么是TTL电平)：
输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下,一般输出高电平是3.5V,输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V,输入低电平<=0.8V,噪声容限是0.4V。
2,CMOS电平：
1逻辑电平电压接近于电源电压,0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。
3,电平转换电路：
因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5v<＝＝>cmos 3.3v）,所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压,没有什么高深的东西。哈哈
4,OC门,即集电极开路门电路,OD门,即漏极开路门电路,必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载,所以又叫做驱动门电路。
5,TTL和COMS电路比较：
1）TTL电路是电流控制器件,而coms电路是电压控制器件。
2）TTL电路的速度快,传输延迟时间短(5-10ns),但是功耗大。COMS电路的速度慢,传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关,频率越高,芯片集越热,这是正常现象。
3）COMS电路的锁定效应：
COMS电路由于输入太大的电流,内部的电流急剧增大,除非切断电源,电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时,COMS的内部电流能达到40mA以上,很容易烧毁芯片。
防御措施： 1）在输入端和输出端加钳位电路,使输入和输出不超过不超过规定电压。
2）芯片的电源输入端加去耦电路,防止VDD端出现瞬间的高压。
3）在VDD和外电源之间加线流电阻,即使有大的电流也不让它进去。
4）当系统由几个电源分别供电时,开关要按下列顺序：开启时,先开启COMS电路得电源,再开启输入信号和负载的电源;关闭时,先关闭输入信号和负载的电源,再关闭COMS电路的电源。
6,COMS电路的使用注意事项
1）COMS电路时电压控制器件,它的输入总抗很大,对干扰信号的捕捉能力很强。所以,不用的管脚不要悬空,要接上拉电阻或者下拉电阻,给它一个恒定的电平。
2）输入端接低内组的信号源时,要在输入端和信号源之间要串联限流电阻,使输入的电流限制在1mA之内。
3）当接长信号传输线时,在COMS电路端接匹配电阻。
4）当输入端接大电容时,应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。
5）COMS的输入电流超过1mA,就有可能烧坏COMS。
7,TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：
1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。
2） 在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平,输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知,只有在输入端接的串联电阻 小于910欧时,它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来,串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些 了。
8,TTL电路有集电极开路OC门,MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门,它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输 出,那就是漏电流,为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候,它的基极电流约等于0,但是并不是真正的为0,经过三极管的集电极的电流也就不是真正 的 0,而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出;OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流,但是不能向外输出的电流。所 以,为了能输入和输出电流,它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。
9,什么叫做图腾柱,它与开漏电路有什么区别？
TTL集成电路中,输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出,没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关,图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出,高电平400UA,低电平8MA

（1）中断：
在运行一个程序的过程中，断续地以“插入”方式执行一些完成特定处理功能的程序段，这种处理方式称为中断。

（2）中断的作用：

◎并行操作

◎硬件故障报警与处理

◎支持多道程序并发运行，提高计算机系统的运行效率

◎支持实时处理功能

（3）中断的概念与术语

◎按中断源进行分类：发出中断请求的设备称为中断源。按中断源的不同，中断可分为

内中断：即程序运行错误引起的中断

外中断：即由外部设备、接口卡引起的中断

软件中断：由写在程序中的语句引起的中断程序的执行，称为软件中断

◎允许/禁止(开/关)中断： CPU通过指令限制某些设备发出中断请求，称为屏蔽中断。从CPU要不要接收中断即能不能限制某些中断发生的角度 ，中断可分为

可屏蔽中断 ：可被CPU通过指令限制某些设备发出中断请求的中断

不可屏蔽中断：不允许屏蔽的中断如电源掉电

◎中断允许触发器：在CPU内部设置一个中断允许触发器，只有该触发器置“1”，才允许中断；置“0”，不允许中断。
指令系统中，开中断指令，使中断触发器置“1”
关中断指令，使中断触发器置“0”

◎中断优先级：为了管理众多的中断请求，需要按每个（类）中断处理的急迫程度，对中断进行分级管理，称其为中断优先级。在有多个中断请求时，总是响应与处理优先级高的设备的中断请求。

◎中断嵌套：当CPU正在处理优先级较低的一个中断，又来了优先级更高的一个中断请求，则CPU先停止低优先级的中断处理过程，去响应优先级更高的中断请求，在优先级更高的中断处理完成之后，再继续处理低优先级的中断，这种情况称为中断嵌套。

中断嵌套示意图

（4）中断处理过程:一次完整的中断过程由中断请求、中断响应和中断处理三个阶段组成。

◎中断请求：是由中断源发出的并送给CPU的控制信号，由中断源设备通过将接口卡上的中断触发器置“1”完成。
接口卡上还有一个中断屏蔽触发器
中断屏蔽触发器置“1”，表示要屏蔽该设备的中断请求；
中断屏蔽触发器置“0”，表示允许该设备发出中断请求；

◎中断响应：当CPU接到中断请求，若满足下列条件，就会响应中断。

响应中断的条件：

※允许中断触发器为“1”状态；

※ CPU结束了一条指令的执行过程；

※新请求的中断优先级较高；

中断响应要进行的工作：

保存程序计数器PC的内容或许包括程序状态字的内容到堆栈（中断隐指令）

◎中断处理过程：

关 中 断

保 存 断 点 保 护 现 场

判 中 断 源 转 中 断 服 务

开 中 断

执 行 中 断 服 务 程 序

关 中 断

恢 复 现 场 恢 复 断 点

开 中 断

返 回 断 点

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

么是中断
是指CPU在正常运行程序时,由于内部/外部事件或由程序预先安排的事件,引起CPU暂时停止正在运行的程序,转到为该内部/外部事件或预先安排的事件服务的程序中去,服务完毕,再返回去继续运行被暂时中断的程序,这个过程称为中断.
可屏蔽中断处理的一般过程是什么
可屏蔽中断的处理过程一般可分为4个阶段:
中断申请:外设向CPU发出中断申请信号,CPU检测到有效的INTR,且无DMA请求,IF=1,当前指令执行完毕就进入响应阶段
中 断响应:CPU通过总线控制器发出两个连续的中断响应信号(2个 负脉冲)组成中断响应周期.在中断响应周期中,CPU取得中断类型号n,将程序状态字(PSW)及断点的地址(CS和IP)依次入栈保护.再查中断向量 表,将(4*n)IP;(4*n+2)CS,进入中断服务阶段
中断服务:CPU执行中断服务程序,为中断源服务
中断返回:当执行到中断服务程序中的IRET指令时,将堆栈栈顶的三个字单元内容弹出,依次送给IP,CS,PSW,CPU返回到原来的程序去执行.
什么是中断优先级 设置中断优先级的目的是什么
中断优先级是指,中断源被响应和处理的优先等级.设置优先级的目的是为了在有多个中断源同时发出中断请求时,CPU能够按照预定的顺序(如:按事件的轻重缓急处理)进行响应并处理.
什么是中断嵌套
是指CPU正在执行一个中断服务程序时,有另一个优先级更高的中断提出中断请求,这时会暂时挂起当前正在执行的级别较低的中断源的服务程序,去处理级别更高的中断源,待处理完毕,再返回到被中断了的中断服务程序继续执行,这个过程就是中断嵌套.
什么是中断向量 它是如何装入中断向量表的
中断向量是中断服务程序的入口地址,一个中断向量由4个字节组成,它包括中断服务程序的段首址和偏移地址.
中断向量并非常驻内存,而是由程序装入中断向量表中的.系统配置和使用的中断所对应的中断向量由系统软件负责装入;系统若未配置系统软件(如单板机系统),或用户自定义的中断向量,由用户自行装入.
什么是中断类型号 它的作用是什么
中断类型号是系统为每一个中断源分配的代号,它是8位的,与系统的中断源一一对应.
中断类型号负责引导CPU找到中断服务程序的入口点.通过中断类型号查中断向量表可得到中断向量(中断服务程序入口地址),其中:物理地址为4*n的单元是中断服务程序入口点的偏移地址;物理地址为4*n+2的单元是中断服务程序的段首址.
不可屏蔽中断和可屏蔽中断各有何特点 其用途如何
不 可屏蔽中断(NMI):CPU不能屏蔽,即:无论IF的状态如何,CPU收到有效的NMI必须进行响应;NMI是上升沿有效;中断类型号固定(为2);它 在被响应时无中断响应周期.不可屏蔽中断通常用于故障处理(如:协处理器运算出错,存储器校验出错,I/O通道校验出错等)
可屏蔽中断 (INTR):CPU可以通过设置IF的状态屏蔽它,若IF=1,CPU响应,IF=0,CPU不响应;INTR高电平有效;它需要中断响应周期;中断类 型号由中断控制器在中断响应周期中提供给CPU.可屏蔽中断主要用于普通I/O设备请求与CPU进行数据交换.
IBM-PC微机的中断系统由哪几部分构成
IBM-PC微机的中断系统由硬件中断(外部中断)和软件中断(内部中断)组成.
硬件中断又分为可屏蔽中断INTR和不可屏蔽中断(NMI);
软件中断有双字节指令形式的中断(ROM-BIOS中断,DOS中断和未定义自由中断)和几种特殊类型的中断(除法溢出中断,单步中断,断点中断,溢出中断).
所谓DOS系统功能调用是指哪一个软中断 试举出一些常用的设备管理和文件管理的DOS功能调用.
DOS系统功能调用是指中断类型号为21H的软中断指令INT 21H.
例如:
功能号为01H,对键盘管理,输入一个字符;
功能号为0AH,对键盘管理,输入一个字符串;
功能号为02H,对显示器管理,输出一个字符;
功能号为09H,对显示器管理,输出一个字符串;
功能号为3CH,对文件管理,建立一个文件;
功能号为3DH,对文件管理,打开一个文件;
功能号为3EH,对文件管理,关闭文件;
功能号为3FH,对文件管理,读文件;
功能号为40H,对文件管理,写文件.
试比较软中断和硬中断不同的特点.
软中断和硬中断的不同主要体现在以下几个方面:
软中断
硬中断(INTR)
是否有随机性,突发性
否
是
是否有中断响应周期
无
有
中断类型号的提供方法
固定或由指令提供
由中断控制器提供
是否可屏蔽(受IF影响)
不可屏蔽
可屏蔽
硬中断中的不可屏蔽中断NMI除了具有随机性和突发性之外,其余特点同软中断.

北京海尔集成电路设计有限公司　　赖祥宁

SOC的基本概念
SOC(系统级芯片System on Chip)，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。SOC也有译为"系统芯片集成 "，意指它是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。


从第一块集成电路(IC) (1959年美国TI公司)发明以后，集成电路工艺技术的发展表现在两个方面：一是沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高，使得器件特征尺寸从亚微米的 0.5 m、深亚微米(DSM)的0.35 m一直下降到0.13 m，甚至超深亚微米(VDSM)的0.1 m及以下，并可以形成各种结构；二是匀场范围的扩大，使得芯片面积由100mm2增加到200mm2甚至300mm2及以上。每个管子在缩小，芯片面积在 扩大，两者的乘积使得IC集成度的CAGR(Commutation Average Growth Rate)每年达到58％。这就是Moore定律指出的三年翻四番。可以说微电子的加工技术已经达到这样的程度：可以在硅片上制作出电子系统需要的所有部 件，包括各种有源和无源的元器件、互连线，甚至机械部件。因此，已经具备了由集成电路(IC)向系统集成(IS)发展的条件。

在工艺能力提高的同时，IC的设计能力也在不断提高，由于新的ICCAD工具不断出现，使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的提高，有效地缩小了与工艺能力的差距。

第一代ICCAD，把IC中的重复结构建立版图库。利用系统的复制功能，提高了版图设计效率；80年代出现的以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第 二代ICCAD系统，以及90年代出现的综合(synthesis)系统，把设计水平从原理图输入提高到行为描述，进一步缩短了设计周期，提高了设计效 率。特别是标准单元库包括IP核的发展，从基本单元电路，到功能模块、子系统、系统，充分利用已有的设计积累，实现设计重用，提高了设计的起点。

同时，IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成。特别是MCU的出现与普及，使传统电子系统全面进入 了现代电子系统。电子系统追求的目标之一就是最大限度地简化电路设计，达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。SOC将电路系统设计的可靠性、 低功耗等都考虑在IC设计之中，把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决，使系统工程师可以将精力集中在研究对象领域中的诸问题。SOC理 所当然成为微电子领域IC设计的最终目标和现代电子系统的最佳选择。

从上可知，无论从IC工艺条件还是设计能力以及产业需求来说，都已将SOC推到了技术发展的前沿。

研发SOC所涉及的关键技术

SOC作为系统级集成电路，能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个系统功能。这是一个非常复杂的技术，它的实现主要涉及如下9个方面：

1.深亚微米技术

工艺加工线宽的不断减少，给电路的设计仿真带来了新的挑战。原可忽略的器件模型的二级三级也必须加以考虑。线与线、器件与器件间的相互影响将变得不可忽略。

2.低电压、低功耗技术

线宽的变小，使电源电压也变小，给电路设计与阈值电压提出了新的要求。同时随着集成度的提高，电路功耗也会相应提高，所以必须采取相应措施，以降低功耗。

3.低噪声设计及隔离技术

随着电路工作频率和集成度的提高，噪声影响将变得越来越严重，降噪和隔离技术变得十分重要。对要求较高的电路，用PN结隔离和挖槽还不能达到要求。作为过渡，目前提出了SiP电路(System in Package)，即把几个电路封装在一起，多片集成成SOC。

4.特殊电路的工艺兼容技术

SOC工艺技术主要考虑一些特殊工艺的相互兼容性，例如DRAM、Flash与Logic工艺的兼容、数字与模拟的相互兼容等。IP核的集成必须考虑工艺、电参数等条件的相互兼容。

5.设计方法的研究

SOC的出现对设计方法也提出了更高要求。这主要包括设计软件和设计方法的研究和提高，使设计工程师在设计阶段就能正确地仿真出电路系统的全部功能和真实性能指标。

6.嵌入式IP核设计技术

如前所述，SOC是许多嵌入式IP核的集成，所以有许多IP核亟待研究开发，例如Controller、DSP、Interface、Bus及 Memory技术等。IP核不仅指数字IP核，同时还包括模拟IP核。模拟IP核通常还含有电容、电感等。同时IP核还分为软核(Soft Core)、硬核(Hard Core)、固核(Firm Core)。

7.测试策略和可测性技术

为了检测设计中的错误，可测性设计是必需的。SOC测试可用结构测试和可测性设计等方法。DFT技术包括内建自测试、扫描测试及特定测试等。

8.软硬件协同设计技术

目前的系统若不包括软件则不成为一个完整的系统，所以SOC应该说是一个软件和硬件整合的系统。系统仿真时必须将软件和硬件结合在一起进行仿真。

9.安全保密技术

该技术涵盖算法和软硬件实现，在通信和金融(例如IC卡)中尤为重要。常用加密算法有DES和RSA等。

这9个方面是进行SOC开发时必须要认真考虑的问题，任何一个忽视，都会在产品的性能和成本方面带来巨大影响。因此，研究开发SOC首先应从市场需要出 发，选定一个研究开发的目标，然后从上述9个方面着手考虑，确定SOC系统定义、系统指标，同时反复做系统仿真和不断修正，最后才能确定SOC的体系结 构，并最终进行软硬件的开发。

国内SOC技术的发展现状

中国电子信息产业一直保持20%以上的增长率，主要集中 在移动通信设备、数据通信设备、计算机及消费产品领域。中国是世界上最大的消费类电子产品的生产国，其中电视机、收录机、电话机、电子手表等产品已占世界 第一；手机、软硬驱动器、显示器、计算机板卡等也是世界的主要生产基地。市场的需求决定着需要开发的SOC，考虑到我国电子信息市场的特殊性，即巨大的移 动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于进口的状况，开发数字家电类SOC已经为国内各大IC设计机构、公司所看好，纷纷投入人力、物力进行这两个方面 SOC的研发工作。

国内移动通信类SOC的开发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司，数字家电类SOC的开发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。

目前，海尔开发出的可产品化的HMD2002芯片集传统MPEG-2芯片组于一身，含有下列成分：MPU、OSD处理器、解扰器、解复用器、MPEG- 2视频解码器、音频解码器(Musicam或Dolby Digital)和PAL/NTSC/SECAM数字编码器，主要完成DVB解扰、MPEG-2解复用、MPEG-2解压缩、音视频信号恢复和模拟音视频 信号合成编码等信源解码工作。随着进一步研发，将来海尔数字电视SOC芯片将把信道解码部分也包含进去，真正成为数字电视的单芯片解决方案。

结语

SOC是一项综合的系统工程，需要大量的人力和财力的投入，国家应该在产业分工、人才培养、基础理论研究、国外先进技术的引进等方面提供更好的政策扶持，使我国SOC技术的发展，迅速赶上世界先进水平，为我国集成电路产业的整体发展奠定稳定的基础。

国内外集成电路技术发展现状及差距 闫 洪 集成电路技术已经进入纳米时代，世界上多条90nm/12英寸的生产线已进入规模化生产；65nm的生产技术已经基本成型，采用65nm技术的产品已经出产。   　　集成电路设计技术中，EDA工具已成为必备基础手段，一系列设计方法学的研究成果在其中得以体现并在产品设计过程中发挥作用，IP核复用技术已被广泛 应用，相关产业即将成熟，系统级芯片（SOC）的设计思想在实际应用中得到广泛应用，并处于逐渐丰富和完善之中；芯片制造技术得益于光刻技术、SOI （Silicon on Insulator）技术、铜互连等技术的突破，目前已经达到90nm的水平并且正向65nm工艺节点前进；封装技术中，封装形式的主流已经转变，新型封 装技术的应用正在增多，以SIP（System in Package）封装为代表的下一代封装形式已经出现，封装与组装的界限已经变得模糊；测试技术从相关领域中的分离已经成为定局，测试系统向高速、多管脚、多器件并行同测、SOC测试的方向发展明确。   集成电路设计技术 随着工艺技术水平的不断提高，早期的人工设计已逐步被计算机辅助设计（CAD）所取代，目前已进入超超大规模集成电路设计和SOC设计阶段。在集成电路设计技术中最重要的设计方法、EDA工具及IP核三个方面都有新的发展： 　　半定制正向设计成为世界集成电路设计的主流技术，而全定制一般应用在CPU（Central Process Unit）等设计 要求较高的产品中，逆向设计多应用于特定的集成电路设计过程中；当今世界领先的EDA工具基本掌握在世界专业EDA公司手中，如益华计算机 （Cadence）、新思科技（Synopsys）、明导科技（Mentor Graphics）和近年发展迅猛的迈格玛（Magma），它们的世界市场占有率高达60%以上；世界上IP专营公司日见增多，目前自主开发和经营IP核 的公司有英国的ARM和美国的DeSOC等，世界IP核产业已经初具规模。 　　在我国，近年来集成电路设计业得到了长足发展，大唐微电子、杭州士兰、珠海炬力、华大等专业设计公司已 经崭露头角，年销售额已经达到几亿元人民币。其设计能力达到0.25～0.18μm，高端设计达到0.13μm。我国集成电路设计已从逆向设计过渡到正向 设计，全定制的设计方法也在某些电路设计中得到体现。但值得指出的是，我国集成电路设计公司基本上都是依赖国际先进的设计工具。 　　在EDA工具方面，华大集成电路设计中心是我国大陆唯一研发EDA工具的科研机构。该设计中心已经成功 开发出全套EDA工具软件包——熊猫九天系列（Zeni系列）。虽然我国在EDA工具研发方面取得了一定的成绩，但产品仍未达到普及的水平，还不能与世界 顶尖厂家在高层次、高水平上竞争。 　　在IP核方面，我国IP核技术的发展相对落后，研发总量不大，未能形成规模市场，而且还存在着接口标准不统一、复用机制不健全以及知识产权保护力度不够等问题，加之国际大型IP公司纷纷以各种合作的方式向国内企业以低价甚至免费方式授权使用其IP核产品，对我国IP核产品的市场化形成非常大的阻力。 集成电路芯片制造技术 当前，国际先进的集成电路芯片加工水平已经进入90nm/12英寸，而且正向65nm水平前进，65nm以下设备已逐步进入实用，45～22nm设备 和技术正在开发当中。在芯片制造技术领域的一个显著特点是，集成电路工艺与设备的结合更为紧密，芯片制造共性工艺技术的开发越来越多地由设备制造商来承 担。目前，设备制造商的职责已经从单纯地提供硬件设备转变为既要提供硬件设备又要提供软件（含工艺菜单）、工艺控制及工艺集成等服务的总体解决方案，芯片 制造技术越来越多地融入设备之中。 　　我国集成电路芯片制造技术水平与世界先进水平相差巨大。近年在全球市场兴旺发展大潮的带动下，我国集成电路产业投资加大，国际合作的大环境促进 了产业从境外向我国大陆转移，中芯国际、上海华虹NEC等大型芯片制造企业已经具备大规模集成电路的生产能力。目前，我国8英寸晶片制造产能快速扩充，主 流制造工艺水平为0.18μm。 　　虽然我国集成电路芯片制造业近年来大规模发展，但不容忽视的是，生产过程中所用到的设备基本都是从国外进口。以光刻机为例，我国集成电路生产线 中的光刻机基本都是从欧美和日本进口，尤其是0.5μm以下的光刻机百分之百都来自国外。可喜的是，在“十五”计划期间，国家安排了集成电路专用设备重大 科研专项，包括100nm分辨率集成电路光刻机、等离子刻蚀机和大倾角离子注入机，目前相关设备的研究已经取得成果，等离子刻蚀机、大角度离子注入机已完成项目验收，并被中芯国际批量采购。 集成电路封装技术 集成电路封装技术的发展主要体现在封装方式上。最早的集成电路封装技术起源于半导体器件封装技术，封装方式是TO型（礼帽型）金属壳和扁平长方形陶瓷 壳，时至今日，封装方式已经发展到几大类和若干小类，包括：（1）直插式：单列直插（SIP）、双列直插式（DIP）；（2）引线芯片载体：引线陶瓷芯片 载体（LCCC）、塑料有引线芯片载体（PLCC）；（3）四方型扁平封装（QFP）：薄型QFP（TQFP）等；（4）小外形封装（SOP）： J型引脚小外型封装（SOJ）、薄小外形封装（TSOP）等；（5）阵列式封装：针栅阵列（PGA）、球栅阵列（BGA）、柱栅阵列（CGA）等。 　　进入21世纪以来，新型的封装方式不断出现，其中以芯片级封装（Chip Size Package ,CSP）、多芯片/三维立体封装（Multi Chip Packaging, MCP /3D Packaging,3D）、晶片级封装（Wafer Level Packaging ,WLP）等几项新型封装技术最为引人瞩目，这几种新型的封装方式代表着当今封装技术的最先进水平。CSP是一种封装体尺寸最接近裸芯片尺寸的小型封装， 目前CSP技术已趋于成熟，被众多的产品所选用。WLP技术是在芯片制造工序完成后，直接对晶片利用半导体工艺进行后续封装，而后再切割分离成单个器件。 使用这种封装方式，可以提供相当于芯片尺寸大小的小型组件。三维立体封装是指在垂直于芯片表面的方向上堆叠、互连两片以上裸芯片的封装方式，其空间占用 小，电性能稳定。目前，采用三、四或五层裸芯片构成的堆叠式存储器产品已经出现。除此之外，诸如系统级封装（System in Package ,SIP）等下一代封装技术也由专家和研发机构提出，相 近些年来，我国在集成电路封装设备方面的开发和设备国产化方面有了一定的进展，典型设备包括：铜陵三佳公司 研制的集成电路塑封模具、塑封压机；振华集团建新分公司研制的塑封压机；中电集团45所研制的全自动引线键合机和全自动芯片键合机等。经过多年的努力，国 内一些单位在某些单台集成电路专用设备研发上填补了我国在封装设备领域的空白，但无论从设备先进性和整体规模方面，距离满足大工业化生产的要求还有很大的 差距，距离世界先进设备的水平，相差更远，而且国内封装技术发展速度明显变缓。我国国内的集成电路封装大厂基本是合资或独资企业，所拥有的封装技术基本来 自国外。 集成电路测试技术 测试技术的进步主要体现在测试设备的发展上，测试设备从测试小规模集成电路发展到测试中规模、大规模和超大规模集成电路，设备水平从测试仪发展到大规 模测试系统。现今测试系统已向高速、多管脚、多器件并行同测和SOC测试的方向发展。世界先进的测试设备技术，基本掌握在美国、日本等专业测试设备生产厂 家手中，如美国泰瑞达（TERADYNE）、安捷伦（Agilent Technologies）公司、日本爱德万测试（ADVANTEST）公司等。 　　国产集成电路测试设备虽有一定的发展，但与国际水平相比仍存在较大差距。市场上各种型号国产测试仪，中小规模占80%，只有少数采用计算机辅助 测试的设备可称之为测试系统，但由于价格、可靠性、实用性等因素导致没有实用化。在大规模集成电路测试系统方面一片空白，国内所用的设备，完全是随生产线 一起引进。 关的基础研究已经开展。每一代封装技术的产生和推广，均有相应的加工设备作支撑，目前国际上各类先进封装设备在封装方式、封装速度和封装可靠性等方面均可满足大规模、快变化的工业生产需要，而且大有向专业设备寡头化发展的趋势。

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