System-on-a-Chip

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Unter System-on-a-Chip (SoC, dt. Ein-Chip-System), auch System-on-Chip oder System on a Chip, versteht man die Integration aller oder eines großen Teils der Funktionen eines Systems auf einem Chip (Die), also einem integrierten Schaltkreis (IC) auf einem Halbleiter-Substrat, auch monolithische Integration genannt. Bei der Nutzung von Silizium als Substratmaterial spricht man auch von System-on-Silicon (SoS). Als System wird dabei eine Kombination unterschiedlicher Elemente (logischen Schaltungen, Taktgebung, selbständiges Anlaufen, mikrotechnische Sensoren usw.) aufgefasst, die zusammen eine bestimmte Funktionalität bereitstellen, beispielsweise ein Beschleunigungssensor samt Auswertungselektronik. Eingesetzt werden SoCs üblicherweise in eingebetteten Systemen.

Während Systeme anfänglich aus einem Mikroprozessor- oder Mikrocontroller-IC und vielen anderen ICs für spezielle Funktionen bestanden, die auf einer Platine aufgelötet waren, lässt die heute mögliche Integrationsdichte zu, nahezu alle Funktionen auf einem einzigen IC zu vereinigen. Dabei werden digitale, analoge und Mixed-Signal-Funktionseinheiten integriert. Vorteile sind vor allem Kosteneinsparung, geringerer Energieverbrauch beziehungsweise Verlustleistung und umfassende Miniaturisierung. So ist heute beispielsweise bei Mobiltelefonen die digitale Funktion, gegebenenfalls mit Ausnahme des Speichers, auf einem IC realisiert. Auch die Schnittstellen beispielsweise zur Tastatur, zur SIM-Karte oder zum Display sind bereits auf diesem IC enthalten.

Eine ähnliche Technik, um hohe Integrationsdichten auch von Bauelementen von stark unterschiedlicher Technik zu erreichen, ist das sogenannte System-in-Package (SiP). Dabei werden mehrere Chips in einem Gehäuse zusammengefasst.

Einsatzgebiet[Bearbeiten]

Eingesetzt werden SoCs vor allem im Mobilfunk, für Embedded-Computer, Handhelds, Smartphones, PDAs, für MP3-Player, CD- und DVD-Geräte und überall dort, wo es auf kleine Abmessungen bei hoher Leistung und vielfältigen Aufgaben ankommt, also beispielsweise auch im medizinischen Bereich oder der Analytischen Chemie als Lab-on-a-Chip (dt. „Labor auf einem Chip“) sowie in der Luft- und Raumfahrt. Nicht zu vergessen ist aber auch der sehr große Markt der Steuerungs- und Automatisierungstechnik von der heimischen Waschmaschine bis zur Transferstraße in der Metallindustrie. Es ist normal, dass solche Geräte auch abgesetzte Einheiten haben können, wie etwa eine Tastatur oder einen Bildschirm. Das wesentliche Merkmal ist jedoch der minimale innere Zusatzaufwand für Bauteile auf der oder den Leiterplatten, welche den Kern des Geräts ausmachen. SoCs sind vor allem aus Kostengründen, d. h. zur weiteren Kostensenkung bei Gerätepreisen oder überhaupt zur marktfähigen Realisierung von Geräten ein entscheidender Trend im beginnenden 21. Jahrhundert.

Entwurfsvorgang[Bearbeiten]

SoCs werden heute zumeist nicht völlig neu entwickelt, sondern die Entwürfe basieren - zumindest in Teilen - auf vorhandenen oder erworbenen Komponenten, sogenannten IP-Cores. Dies sind beispielsweise Makros für vollständige CPU-Kerne oder Peripherieblöcke wie etwa Ethernet- oder Bluetooth-Controller. Viele Standardkomponenten sind bei EDA-Werkzeugen der Chip-Hersteller auch kostenlos enthalten. Andere Komponenten können vom Chip-Hersteller oder anderen IP-Lieferanten wie z. B. ARM oder Transmeta lizenziert werden. Oftmals lassen sich solche IPs auch über Parameter dem Verwendungszweck angepasst generieren, beispielsweise in Form der Pipelinelänge, der Cachegröße oder den Busbreiten.

Weitere Komponenten wurden beispielsweise in früheren Projekten entwickelt und können im Idealfall direkt eingesetzt werden, oder es müssen Änderungen vorgenommen werden, evtl. auch nur in Form einer Parametrisierung. Eine weitere Möglichkeit ist das Verwenden „freier Hardware“. Auch entstehen im Hardwarebereich immer mehr Open-Source-Projekte (z. B. auf OpenCores.org), die sich oft noch im Entwicklungsstadium befinden. Was hier gegebenenfalls fehlt, muss der Nutzer selbst entwickeln oder entwickeln lassen. Die Übergänge, was in Software und was in Hardware umgesetzt wird, sind hierbei fließend, siehe Software Defined Radio.

Debugging Interface[Bearbeiten]

In der Regel besitzen SoCs eine Debug-Schnittstelle (englisch interface). Dies ist oft eine einfache RS232-Schnittstelle, zunehmend kommt aber auch hier USB zum Einsatz. Über diese Debug-Schnittstelle können dann im Betrieb Fehlermeldungen und allgemeine Informationen ausgegeben werden, beispielsweise auf ein Terminal, also eine Konsolenanwendung. In komplexeren Umgebungen übernimmt diese Funktion oft auch eine JTAG-Schnittstelle. Diese wird typischerweise nicht nur zur Übertragung von Fehlermeldungen genutzt, sondern zur Kommunikation mit einem Hard- oder Softwaredebugmodul im SoC. Ein solches Modul erlaubt es dem Anwender, beispielsweise das SoC „anzuhalten“ und die Abarbeitung im CPU-Kern im Einzelschrittmodus („Step-by-Step“) durchzuführen und bei Bedarf währenddessen einzelne Registerwerte zu ändern oder beispielsweise eine Schleife abzukürzen oder einen Sprungbefehl zu umgehen.

Eine weitere Anwendung dieser Schnittstelle ist das Programmieren programmierbarer Bereiche eines SoC, wie z. B. RAM, EEPROM, Flash oder auch einzelner Schaltungsteile bis hin zum gesamten SoC (nur in einem FPGA o. Ä.). Meist hängen weitere externe Bausteine als „Kette“ an derselben JTAG-Schnittstelle, welche über einen sogenannten Boundary Scan angesprochen werden.

Komponenten[Bearbeiten]

Blockdiagramm eines SoC basierend auf einem ARM-Prozessor

Bus[Bearbeiten]

Verbunden wird das System intern über einen oder mehrere Busse. In komplexeren SoCs kommt oft ein hierarchisches oder zumindest segmentiertes Bussystem zum Einsatz. Dieses besteht typischerweise aus einem schnellen Systembus, einem langsameren Peripheriebus und einem Register- bzw. Steuerbus. Schnelle Peripherieeinheiten werden mitunter aber auch direkt mit dem Systembus verbunden. Zwischen dem Systembus und dem Peripheriebus vermittelt eine Bridge. Weiterhin benötigt jeder Bus mit mehreren Mastern einen Arbiter. Für die besonders wichtige Verbindung zwischen dem Prozessor und seinem oder seinen Cache(s) bzw. einem kleinen lokalen Speicher wird oft ein proprietärer aber besonders schneller Prozessorbus eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist der LMB von Xilinx.

Als Systembus sind in SoCs beispielsweise AMBA von Arm (Busse: AHB bzw. ASB/APB) CoreConnect von IBM (Busse: PLB/OPB/DCR) oder in jüngster Zeit auch der WishBone von Silicore/OpenCores.org stark vertreten. Weit verbreitet sind heute Busbreiten von 32 bis 128 Bit. Bei leistungsfähigen SoCs findet sich oft ein DMA-Controller am Systembus, um die CPU von Speicherzugriffen zu entlasten.

Die Spezifikationen dieser Busse sind physikalisch alle auf die Implementierung in ASICs (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und/oder FPGAs (engl. Field Programmable Gate Array) ausgelegt, lehnen sich jedoch ansonsten stark an verbreiteten Systembussen wie PCI an.

Taktgeber[Bearbeiten]

Als Taktgeber und Zeitgeber sind Funktionsgruppen enthalten, die Impulse in einer bestimmten Frequenz abgeben. Es wird sich dabei um einfache physikalische Schwinger und weitere elektronische Funktionen zur Stabilisierung der Taktrate handeln, die für die Ablaufsteuerung und gegebenenfalls eine Synchronisation erforderlich sind.

Eine Echtzeituhr (physikalische Uhr) empfängt oder misst und zählt lokal eine physikalische Zeit und kann ebenfalls enthalten sein. Dazu sind präzise physikalische Schwinger meist extern zum SoC angeordnet.

Im weiteren Sinne sind mit dem Taktgeber außer dem Taktgeber und der Echtzeituhr auch spezielle stromsparende Weckschaltungen enthalten, die eine Uhrzeit auch nach Ausschalten des Systems behalten bzw. fortschreiben. Der oder die Taktgeber steuern dann auch den Bereitschaftszustand oder Sleep-Modus.

Prozessor[Bearbeiten]

AMD Am286ZX/LX, SoC auf 80286-Basis

Üblicherweise besteht ein SoC aus einem Prozessor, welcher über ein Bussystem mit Speicher und weiterer Peripherie verbunden ist. Bei diesem Prozessor kann es sich sowohl um einen sehr einfachen 8-Bit-Mikrocontroller handeln, als auch um eine sehr leistungsfähige Multicore-CPU. Mehrprozessorsysteme sind ebenfalls möglich. Je nach Leistungsfähigkeit, Anwendungsanforderungen und weiteren Kriterien wie Stromverbrauch, Größe und Preis besitzt das SoC eventuell neben seinen Registern nur einen kleinen internen Speicher, oder (meist zusätzlich) einen oder mehrere deutlich größere externe Speicher. Dies kann beispielsweise SDRAM oder Flash-Speicher sein. Hierfür hängt dann in der Regel am Systembus ein Speichercontroller, welcher eine entsprechende Schnittstelle für den Speicher zu Verfügung stellt.

Weitere Prozessoren[Bearbeiten]

Um den eigentlichen Hauptprozessor des SoCs zu entlasten, sind je nach Anwendung auch Spezialprozessoren enthalten. Dies können beispielsweise Prozessoren zur digitalen Signalverarbeitung sein (DSPs) oder beispielsweise Ver-/Entschlüsselungseinheiten oder sonstige Hardwarebeschleuniger wie Physikbeschleuniger. Hierzu können einzelne Berechnungen oder auch nur Teile davon „ausgelagert“ werden. Diese werden entweder ganz vom Coprozessor übernommen, oder der Hauptprozessor reicht nur einzelne, besonders rechenintensive Befehle weiter. Diese werden dann unter Umständen nicht mehr als Software auf einer General Purpose CPU oder DSP ausgeführt, sondern direkt in Hardware implementiert. Dies ist zumindest in FPGAs und ASICs gängige Praxis und wird daher auch dementsprechend direkt von den EDA-Werkzeugen unterstützt. Viele moderne FPGAs wie Virtex4/5 oder StratixII/III enthalten auch sogenannte DSP-Makros, womit sehr schnell in vielen parallelen Pfaden sogenannte MAC-Befehle ausgeführt werden können.

Speicher[Bearbeiten]

Ebenfalls sehr wichtig in einem SoC ist Speicher. Dieser dient entweder zur Ablage und Ausführung des Programms (Programmspeicher) oder zur Ablage und Bearbeitung von Daten (Datenspeicher). Handelt es sich bei dem Speicher um einen Cache, so ist dieser oft in zwei getrennten Speichern als Harvardarchitektur ausgeführt. Normaler RAM wird hingegen gewöhnlich in einer Von-Neumann-Architektur implementiert. Speichertechnisch handelt es sich intern meist um schnellen SRAM, bei externem Speicher, welcher über einen Speichercontroller angebunden wird, meist um langsameren, aber günstigeren DRAM oder um Flash.

Peripherie[Bearbeiten]

Welche weiteren Peripherieeinheiten integriert werden, hängt sehr stark von der eigentlichen Anwendung, aber natürlich auch von vielen weiteren Faktoren wie den beim Prozessortyp erwähnten Kriterien ab. Diese Peripherieblöcke hängen meist nicht direkt am Systembus, sondern über eine sogenannte Bridge an einem separaten Peripheriebus. Dieser ist meist deutlich langsamer getaktet, genügt jedoch den Anforderungen der meisten Peripherie. Somit wird in erster Linie neben einigen anderen positiven Effekten die kapazitive Belastung des Systembusses gesenkt, und dieser kann somit schneller getaktet werden, was natürlich nur so lange hilft, bis die CPU tatsächlich auf eine Peripherieeinheit warten muss; dann sind im Normalfall beide Busse belegt, ohne etwas zu übertragen. Zusätzlich erleichtert ein Peripheriebus die Entwicklung einfacherer Komponenten, da die Integration dieses Bustyps im Gegensatz zum Systembus in der Regel deutlich leichter fällt und durch seine oft kleinere Bitbreite und langsamere Taktung deutlich geringere Anforderungen stellt.

Je nach Art und Anzahl der Peripherieblöcke sowie Einsatzzweck des SoC enthält dieses manchmal einen dedizierten Interrupt Controller. Bei einfacheren oder kleineren bzw. besonders günstigen Systemen wird aber oft auf einen solchen verzichtet. Hier muss dann die Software die Interruptquelle ermitteln. Fortschrittliche Interrupt Controller bieten nicht nur viele Kanäle, um die Zuordnung der Interrupts zu übernehmen, sondern bieten auch Kanäle mit unterschiedlichen Interrupt-Prioritäten an. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn in Teilen des Systems Echtzeitanforderungen gestellt werden, die mit Interrupts ohnehin nicht einfach bzw. manchmal überhaupt nicht zu lösen sind, da Interrupts ja eben nicht vorhersehbar sind. Dieses Problem kann im Einzelfall oft durch eine intelligente Priorisierung gelöst werden.

Grafik[Bearbeiten]

Viele SoCs enthalten auch einen Grafikprozessor, welcher der Ansteuerung eines oder mehrerer Displays dient. Hierfür ist in einem gewöhnlichen PC beispielsweise eine separate Grafikkarte oder ein im Chipsatz integrierter Grafikkern (GPU) zuständig. Aber auch hier geht der Trend zu einer immer weiter fortschreitenden Integration. So planen bereits seit einigen Jahren große CPU-Hersteller wie AMD/ATI (siehe[1]), Intel und VIA/Nvidia, CPUs mit integrierten GPUs zu fertigen. Während manche eingebettete Systeme sehr hohe Anforderungen an die Grafikausgabe stellen (Spielekonsolen, Blu-Ray/DVD-Player, bildgebende Geräte der Medizintechnik oder des Militärs), reichen in anderen Fällen oft LCDs oder einige Leuchtdioden zur Statusausgabe aus. Je nach Anwendung kann auch ganz auf eine grafische Ausgabe verzichtet werden. Besonders erschwert wird die Realisierung der Grafikfähigkeit oft durch besonders rigide Vorgaben bei maximaler Leistung, der maximalen Chipfläche oder auch durch einen extremen Preisdruck, sofern es sich um Massenware handelt.

Audio[Bearbeiten]

Ebenso anzutreffen sind in vielen SoCs spezielle Audiokerne. Diese werden beispielsweise in Mobiltelefonen, MP3-, DVD-Playern und ähnlichen Multimediageräten benötigt. Hierbei kommen je nach Anforderung, Stückzahl, finanziellen Möglichkeiten, Platzbeschränkungen usw. oft aber auch externe Hardware-Audio-Codecs zum Einsatz, welche dann nur über einen relativ kleinen IP-Block an den SoC-internen Bus angebunden sind. Sofern keine besonders hohen Anforderungen an die Audioqualität gestellt werden, kann beispielsweise ein AC97-Codec zum Einsatz kommen. Kosten sparen kann man mit solchen externen Komponenten aber nur bei kleinen Stückzahlen, da sich hier die Entwicklungskosten für eine integrierte oder gar selbst entwickelte Lösung oft überproportional auswirken.

Schnittstellen[Bearbeiten]

SoCs kommunizieren typischerweise viel stärker mit ihrer technischen Umgebung als mit einem Bediener. Hierzu werden je nach Anforderung diverse Schnittstellen implementiert. Dies geschieht oftmals durch Einbinden fertiger IP-Blöcke welche je nach Geschwindigkeit- und Latenzanforderung mit dem internen System- oder Peripheriebus verbunden werden. Zum Bediener hin kommt neben den bereits angesprochenen Audio- und Grafikschnittstellen hauptsächlich ein Tastaturcontroller (z. B. für Matrix-Tastaturen, serielle Tastaturen oder Touchpads) oder eine USB-Schnittstelle für entsprechende Geräte in Frage. Zur Kommunikation mit anderen Systemen kommen hauptsächlich Serielle Schnittstellen wie z. B. USB, RS232, CAN-Bus, LIN-Bus, MOST-Bus, ARINC429 und Ethernet in Frage. Hierbei wird manchmal nur der MAC-Layer im SoC integriert, manchmal aber auch der PHY. Eine weitere Möglichkeit sind parallele Schnittstellen wie z. B. Centronics, Port-IO, IDE/CF usw.

System-on-a-programmable-Chip[Bearbeiten]

In zunehmender Zahl werden SoCs auf programmierbaren Chips implementiert, sogenannte System-on-a-programmable-Chip. Hierbei handelt es sich in der Regel um FPGAs. Hierbei kommen als Prozessor entweder sogenannte HardCores (als Makro im Silizium vorhandene CPU-Kerne) oder sogenannte SoftCores (aus Quellcode synthetisierbare CPU-Kerne) zum Einsatz. Als HardCore gibt es beispielsweise PowerPC- oder ARM-Kerne, als SoftCores meist herstellerspezifische Prozessoren wie den MicroBlaze von Xilinx oder den NIOS II von Altera. Es existieren aber auch plattformunabhängige synthetisierbare Kerne von ARM, Lattice und anderen, welche entweder kommerziell als IP vertrieben werden oder als Open Source zur Verfügung stehen. Nicht zu verwechseln ist dies jedoch mit Lösungen wie den PSoCs von Cypress oder anderen Firmen, bei welchen nur ein klassischer Mikrocontroller programmierbar ist, nicht jedoch dessen ALU und das ganze System mit Bussen, Speicher und weiterer Peripherie.

Die üblichen Komponenten eines SoCs sind:

Hersteller[Bearbeiten]

Am Markt finden sich zahlreiche Angebote für System-on-a-Chip-Halbleiter. Wichtige Anbieter hierfür sind: (alphabetisch sortiert, nicht nach Größe)

Weitere Anbieter finden sich unter List of system-on-a-chip suppliers

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Bashir M. Al-Hashimi: System-on-Chip: Next Generation Electronics. Institution of Engineering and Technology, 2006, ISBN 0-86341-552-0.
  •  F. Kesel und R. Bartholomä: Entwurf von digitalen Schaltungen und Systemen mit HDLs und FPGAs. Oldenbourg, 2006, ISBN 3-486-57556-2. – Erklärt den Entwurf digitaler Schaltungen und SoCs auf FPGA-Basis – VHDL-Beispiel ist ein kleiner Mikrocontroller. Ausblick zu SystemC enthalten (Hinweis: Ist kein VHDL-Einsteiger-Lehrbuch!)
  •  Steve Furber: ARM Rechnerarchitekturen für System-on-Chip-Design. Mitp-Verlag, 2002, ISBN 3-8266-0854-2.

Weblinks[Bearbeiten]

  • SOCC Jährliche internationale Fachkonferenz des IEEE mit Fokus auf SoC-Forschung und -Entwicklung
  • Computer History Museum first-system-on-chip: [1]. Auf: computerhistory.org.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Artikel auf heise.de über CPU/GPU-Integration bei AMD („Fusion“)