Zusammenfassung: Dieser Artikel behandelt die Entwicklung von System-on-a-Chip (SoC)- und Mikrocontroller-Anwendungstechnologien. Er stellt die grundlegenden technischen Merkmale und Anwendungskonzepte von SoC vor und analysiert die Eigenschaften von Mikrocontrollern als wichtiges Mitglied der IP-Familie im SoC-Anwendungsdesign. Die Diskussion zeigt, dass Mikrocontroller, basierend auf eingebetteter Technologie, erneut zu einer der Kerntechnologien moderner Elektronikanwendungen geworden sind und eine solide Grundlage für SoC-Anwendungstechnologien bilden. Schlüsselwörter: SoC; Mikrocontroller; eingebettetes System. Einleitung: Anwendungen der Elektroniktechnologie lassen sich in drei Ebenen unterteilen: Hardware (HW), Hardware plus Software (HW+SW) und Firmware (FW). Diese drei Ebenen können auch als drei Entwicklungsstadien moderner Elektronikanwendungen betrachtet werden. Seit 1997 hat sich die Ebene der System-on-a-Chip (SoC)-Technologie erweitert. Das Aufkommen des SoC-Technologiekonzepts und der zugehörigen Anwendungstechnologie markiert den Eintritt moderner Elektronikanwendungen in die SoC-Phase. Bereits seit der HW+SW-Phase sind Elektronikanwendungen eng mit Mikrocontrollern verknüpft. Im Firmware-Stadium haben sich Mikrocontroller, basierend auf eingebetteter Technologie, als wichtige Kerntechnologie von Firmware-Systemen erneut zu einer der Kerntechnologien moderner Elektronikanwendungen entwickelt und bilden eine solide Grundlage für System-on-a-Chip (SoC)-Anwendungstechnologien. SoC bietet eine neue Implementierungstechnologie für vielfältige Anwendungen. Diese neue Technologie zur Implementierung elektronischer Systeme hat in den letzten drei Jahren bedeutende Veränderungen in der Industrie angestoßen und eine solide Basis für die Anwendung von Informationstechnologie geschaffen; daher kann man sie getrost als SoC-Revolution bezeichnen. Gleichzeitig hat SoC auch ein breiteres Anwendungsfeld für die Mikrocontroller-Technologie eröffnet und die Mikrocontroller-Anwendungstechnologie revolutioniert. Basierend auf jahrelanger Forschung zur Entwicklung der SoC-Technologie und der Mikrocontroller-Anwendungstechnologie erörtert dieser Artikel die grundlegenden technischen Konzepte von SoC und die Beziehung zwischen Mikrocontrollern und SoC-Technologie und hebt die technischen Merkmale eingebetteter Mikrocontroller-Anwendungen in SoC hervor. I. Konzepte der SoC-Technologie und Anwendungen Die SoC-Technologie ist eine hochintegrierte, firmwarebasierte Systemintegrationstechnologie. Die Kernidee beim Entwurf von Systemen mit SoC-Technologie besteht darin, das gesamte elektronische Anwendungssystem auf einem einzigen Chip zu integrieren. Bei der Entwicklung von Anwendungssystemen mit SoC-Technologie werden alle Systemschaltungen integriert, mit Ausnahme externer Schaltungen oder mechanischer Teile, die nicht integriert werden können. 1. Die Systemfunktionsintegration ist die Kerntechnologie von SoC. Im traditionellen Design von Anwendungselektroniksystemen muss das gesamte System anhand der vom Design geforderten Funktionsmodule synthetisiert werden. Das heißt, basierend auf den benötigten Funktionen werden entsprechende integrierte Schaltungen ausgewählt und anschließend die Verbindungsform und Parameter der ausgewählten Schaltungen gemäß den technischen Spezifikationen der Designanforderungen entworfen. Das Ergebnis dieses Designs ist eine Anwendungselektroniksystemstruktur, die auf funktionalen integrierten Schaltungen und verteilten Bauelementen basiert. Ob das Designergebnis die Designanforderungen erfüllt, hängt nicht nur von den technischen Parametern der Schaltkreischips ab, sondern auch von der elektromagnetischen Verträglichkeit des gesamten Leiterplattenlayouts. Gleichzeitig werden für Systeme, die digitalisiert werden sollen, häufig Mikrocontroller benötigt, sodass auch die Auswirkungen verteilter Systeme auf die Eigenschaften der Schaltungs-Firmware berücksichtigt werden müssen. Offensichtlich wird bei der Implementierung traditioneller Anwendungselektroniksysteme die Technologie der verteilten Funktionssynthese eingesetzt. Bei SOC basiert der Entwurf anwendungselektronischer Systeme zwar ebenfalls auf funktionalen und Parameteranforderungen, unterscheidet sich aber grundlegend von herkömmlichen Methoden. SOC ist keine verteilte Systemsynthesetechnologie auf Basis funktionaler Schaltungen, sondern eine Technologie zur Synthese von Systemfirmware und Schaltungen auf Basis funktionaler IP. Erstens werden Funktionen nicht mehr für funktionale Schaltungen, sondern für die gesamte Systemfirmware implementiert, d. h. die Schaltungen des Gesamtsystems werden mittels IP-Technologie kombiniert. Zweitens hängt das Endergebnis des Schaltungsdesigns von den IP-Funktionsmodulen und den Firmware-Eigenschaften ab und ist weitgehend unabhängig von der Schaltungssegmentierungsmethode und der Verbindungstechnik auf der Leiterplatte. Dadurch werden die EMV-Eigenschaften des Designs deutlich verbessert. Anders ausgedrückt: Das Designergebnis kommt dem idealen Designziel sehr nahe. 2. Die Firmware-Integration ist das grundlegende Designkonzept von SOC. Bei herkömmlichen verteilten Syntheseverfahren lassen sich die Firmware-Eigenschaften des Systems aufgrund der Verwendung verteilter funktionaler Synthesetechniken oft nur schwer optimieren. Um möglichst viele Anwendungsszenarien abzudecken, müssen funktionale integrierte Schaltungen (FI-Schaltungen) im Allgemeinen zwei Designziele verfolgen: Zum einen müssen sie die funktionalen Steuerungsanforderungen verschiedener Anwendungsbereiche erfüllen, zum anderen ein breites Spektrum an Anwendungsfunktionen und technischen Spezifikationen abdecken. Daher müssen FI-Schaltungen (d. h. kundenspezifische FI-Schaltungen) im Bereich der Ein-/Ausgabe und Steuerung um zusätzliche Schaltungen erweitert werden, um Anwendern eine optimale Entwicklungsleistung zu ermöglichen. Die Entwicklung kundenspezifischer Schaltungen für elektronische Anwendungssysteme ist jedoch nicht einfach, um eine optimale Leistung zu erzielen, insbesondere aufgrund der stark verstreuten Firmware-Eigenschaften. Wie die Kerntechnologie von SoCs zeigt, besteht das grundlegende Designkonzept für die Entwicklung anwendungselektronischer Systeme mit SoC-Technologie in der Firmware-Integration des gesamten Systems. Anwender müssen lediglich die benötigten Module und eingebetteten Strukturen auswählen und modifizieren, um vollständig optimierte Firmware-Funktionen zu erhalten, ohne Zeit in die Entwicklung kundenspezifischer Schaltungen investieren zu müssen. Ein wesentlicher Vorteil firmwarebasierter Systeme ist, dass sie sich dem idealen System stärker annähern und die Designanforderungen leichter erfüllen können. 3. Eingebettete Systeme bilden die Grundstruktur von SoCs. In anwendungselektronischen Systemen, die mit SOC-Technologie entwickelt wurden, lassen sich eingebettete Strukturen sehr einfach implementieren. Die Implementierung verschiedener eingebetteter Strukturen ist unkompliziert: Man wählt den passenden Kern entsprechend den Systemanforderungen und anschließend die entsprechenden IP-Module gemäß den Designvorgaben aus, um die gesamte Systemhardware zu vervollständigen. Insbesondere durch den Einsatz intelligenter Schaltungssynthese können die Firmware-Funktionen des Gesamtsystems umfassender realisiert werden, wodurch das System den idealen Designvorgaben näherkommt. Es ist hervorzuheben, dass diese eingebettete Struktur von SOCs den Entwicklungszyklus von Anwendungssystemen erheblich verkürzen kann. 4. IP ist die Designgrundlage von SOCs. Während traditionelle Anwendungselektronikentwickler mit verschiedenen kundenspezifischen integrierten Schaltungen arbeiten, nutzen Systementwickler, die SOC-Technologie einsetzen, eine umfangreiche IP-Bibliothek; die gesamte Designarbeit basiert auf IP-Modulen. Die SOC-Technologie wandelt Anwendungselektronikentwickler in anwendungsorientierte Entwickler elektronischer Geräte. Daher ist SOC eine auf IP-Modulen basierende Designtechnologie, und IP ist die Grundlage von SOC-Anwendungen. 5. Verschiedene Phasen der SOC-Technologie Die Phasen des Entwurfs von Anwendungselektroniksystemen mit SOC-Technologie sind in Abbildung 1 dargestellt. In der funktionalen Entwurfsphase müssen die Entwickler die Firmware-Eigenschaften des Systems umfassend berücksichtigen und für einen detaillierten Funktionsentwurf nutzen. Nach Abschluss des Funktionsentwurfs beginnt die IP-Synthesephase. Hierbei werden die Systemfunktionen mithilfe einer leistungsstarken IP-Bibliothek implementiert. Nach der IP-Integration wird zunächst eine Funktionssimulation durchgeführt, um zu überprüfen, ob die funktionalen Anforderungen des Systems erfüllt sind. Im Anschluss an eine erfolgreiche Funktionssimulation erfolgt eine Schaltungssimulation, um zu prüfen, ob die aus IP-Modulen bestehende Schaltung die entworfenen Funktionen realisiert und die entsprechenden technischen Spezifikationen erfüllt. Im letzten Schritt des Entwurfs werden entsprechende Tests am gefertigten SOC-Produkt durchgeführt, um verschiedene technische Parameter anzupassen und die Anwendungsparameter zu bestimmen. II. Anwendungskonzepte von SOC Ein wichtiges Merkmal moderner wissenschaftlicher und technologischer Anwendungen ist die technologische Vielfalt, die intelligente Variabilität und der objektorientierte Systementwurf. Technologische Vielfalt bedeutet, dass viele verschiedene Entwurfsschemata zur Implementierung desselben Anwendungselektroniksystems zur Verfügung stehen; unterschiedliche Entwurfsschemata erfordern den Einsatz unterschiedlicher Entwurfs- und Produktionstechnologien. Wissensvariabilität beschreibt die Tatsache, dass sich in modernen elektronischen Anwendungssystemen die grundlegenden Theorien und Methoden zur Erreichung der Systemziele mit dem Aufkommen neuen Wissens stetig verändern. Diese Veränderung beeinflusst nicht nur die technischen Spezifikationen angewandter elektronischer Systeme, sondern transformiert auch deren Gesamtstruktur. Mit der kontinuierlichen Expansion moderner Informations- und Elektronikanwendungen stellen immer mehr Bereiche unterschiedliche, spezielle Anforderungen. Beispielsweise reichen die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie an kleinvolumige, großflächige Systeme und die personalisierten Anforderungen von Informationsanwendungen nicht mehr aus, um herkömmliche Firmware-Technologie zu etablieren. Insbesondere im zivilen Bereich hat der Fokus auf personalisiertes Produktdesign zu extrem schnellen Aktualisierungen angewandter Elektronikprodukte geführt, und die Nachfrage nach Kleinserienfertigung mit hoher Variantenvielfalt steigt. Dies wirft eine Reihe von Fragen auf, unter anderem zum Verhältnis von Kleinserienfertigung und Kosten, Integration und Kosten sowie Produktentwicklungszyklus und Kosten. System-on-a-Chip (SoC) entstand, um den Anforderungen der modernen wissenschaftlichen und technischen Entwicklung gerecht zu werden. Traditionell ging man davon aus, dass nur in Massenproduktion hergestellte Produkte integriert werden könnten und einen Preisvorteil bieten. Daher wurden bisher die meisten Kleinserienprodukte, insbesondere forschungsorientierte angewandte Elektroniksysteme, im Allgemeinen mit Hochleistungs-Hardware (HW), Hardware+Software (HW+SW) oder Firmware (FW) gefertigt. Mit dem Aufkommen, der Entwicklung und der Reife von System-on-a-Chip (SoC) hat sich diese Situation jedoch grundlegend geändert. SoC bietet modernen Elektronikingenieuren eine schnelle und wirtschaftliche Methode für den Systementwurf und ermöglicht die Realisierung von bisher leistungsstarken, komplexen und teuren eingebetteten Systemen durch kostengünstige Einzelchip-Implementierungen. 1. SoC-Designkonzept: Das SoC-Designkonzept unterscheidet sich grundlegend vom traditionellen Designkonzept. Im SoC-Design steht der Entwickler nicht mehr einzelnen Schaltkreischips gegenüber, sondern einer Bibliothek von IP-Modulen, die die Designfunktionen implementieren können. Entwickler müssen nicht mehr unter zahlreichen Modulschaltungen nach den benötigten Schaltkreischips suchen, sondern wählen lediglich die passenden IP-Module anhand der Designfunktionen und Firmware-Eigenschaften aus. Diese Schaltungsdesigntechnologie und Synthesemethode beseitigt im Wesentlichen Informationsbarrieren, da jedes Anwendungsdesign ein dediziertes integriertes System bzw. einen dedizierten integrierten Schaltkreis darstellt. Anders ausgedrückt: Das SOC-Designkonzept bedeutet, einen eigenen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zu entwickeln. In gewisser Weise wird der Anwender dadurch zum Hersteller integrierter Schaltkreise. 2. Effiziente und benutzerfreundliche Design-Tools: Da IP die Grundlage von SOC bildet, ist entsprechende EDA-Software für die vollständige Designtechnologie unerlässlich. Ohne effiziente und benutzerfreundliche Design-Tools ist SOC-Design sinnlos. Die Entwicklung traditioneller elektronischer Systeme stellt zwar keine hohen Anforderungen an EDA-Software und andere zugehörige Designsoftware, es genügt die Bereitstellung entsprechender Benutzerfreundlichkeit; SOC-Design hingegen muss auf EDA basieren. Beispielsweise muss der Anwender bei der Entwicklung eines intelligenten Temperaturregelungssystems mit SOC-Technologie, da das gesamte System in einem einzigen Chip integriert ist, umfassende Simulationen des CPU-Kerns, des Speichers, des A/D-Wandlers, des Analogverstärkers und anderer Schaltungen durchführen können. Ein effizientes und benutzerfreundliches EDA-Tool ist hierfür unerlässlich. III. Mikrocontroller in der SOC-Technologie: Mikrocontroller sind eine Standardtechnologie in modernen elektronischen Anwendungen, insbesondere in industriellen und zivilen, autarken elektronischen Systemen, wo sie eine zentrale Rolle spielen. Aufgrund der einzigartigen Firmware-Eigenschaften von Mikrocontrollersystemen nehmen diese eine wichtige Stellung in der SoC-Technologie ein. 1. Eingebettete Mikrocontroller-Technologie in SoCs: Mit der Entwicklung der Elektronik, insbesondere der rasanten Entwicklung von Anwendungstechnologien, haben sich gängige und einzigartige eingebettete Strukturen für Mikrocontroller-Anwendungssysteme herausgebildet. Beispielsweise werden verschiedene Mikrocontroller-Serien durch die Einbettung unterschiedlicher CPUs und anderer Hilfsschaltungen gebildet. Mikrocontroller sind mittlerweile ein wichtiger Bestandteil von IP-Bibliotheken, und ihre eingebettete Struktur ist eine wichtige Implementierungstechnologie und -methode für SoCs. Die Entwicklung eingebetteter Strukturen für Mikrocontrollersysteme mithilfe von SoCs bietet Entwicklern überlegene Möglichkeiten, die von bestehenden Technologien nicht erreicht werden. Entwickler müssen das geeignete Mikrocontroller-Modell sorgfältig auswählen. Durch die Auswahl des passenden Mikrocontroller-CPU-Kerns basierend auf den Firmware-Eigenschaften und den funktionalen Anforderungen des entwickelten Systems und die anschließende Auswahl weiterer IP-Module nach Bedarf kann ein vollständiges System implementiert werden. SoCs bieten Mikrocontrollern somit ein breiteres Anwendungsspektrum und verleihen ihnen mehr Dynamik. Stellen Sie sich vor, der Kern des gesamten SoC-Zielsystems wäre eine Mikrocontroller-CPU; Sobald das Systemdesign erfolgreich ist, handelt es sich nicht nur um einen echten Mikrocontroller, sondern auch um einen echten Systemmikrocontroller. Dies ist die Grundlage der enormen Leistungsfähigkeit des Mikrocontrollers. 2. Mikrocontroller-Systemoptimierung in SoCs Aktuell kann ein beträchtlicher Teil der Mikrocontroller-Anwendungen eigentlich nicht als Mikrocontroller bezeichnet werden. Dies liegt daran, dass viele Anwendungen die Einrichtung eines externen Systembusses für den Mikrocontroller erfordern. Daher sind die optimale Nutzung der Mikrocontroller-Ressourcen und die Vermeidung eines externen Busses oft die Hauptziele des Mikrocontroller-Anwendungsdesigns. Mit anderen Worten: Optimierung ist ein entscheidender Faktor bei Mikrocontroller-Anwendungen. Beispielsweise erfordert die Entwicklung eines Testsystems mit mehreren Sensoren oft die Entwicklung eines entsprechenden externen Busses basierend auf den Eigenschaften des Mikrocontrollers, wodurch das Anwendungssystem groß wird. Mit der SoC-Technologie benötigt das System keinen externen Bus mehr, und unnötige Ressourcen im ausgewählten Mikrocontroller können entfernt werden, sodass nur die notwendige CPU und andere Funktionsmodule beibehalten werden. Die Blockdiagramme dieser beiden Designmethoden sind in Abbildung 2 dargestellt. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, müssen sich Entwickler keine Gedanken mehr über die maximale Nutzung der Mikrocontroller-Ressourcen machen; Sie können die benötigten Schaltungen entsprechend ihren Anforderungen auswählen und mit dem CPU-Kern eines ihnen vertrauten Mikrocontrollers kombinieren. Gleichzeitig sind die Vorverstärkerschaltungen (Analogsignalverarbeitung), die in bestehenden Technologien präzise Anpassungen erfordern, auf einem einzigen Chip untergebracht. Dadurch entfällt ein großer Aufwand für die Fehlersuche auf Leiterplatten. Im Hinblick auf die Notwendigkeit der Systemmonolithisierung von Mikrocontrollern handelt es sich bei diesem System um ein vom Benutzer entworfenes, dediziertes Mikrocontrollersystem – ein optimiertes System, das alle Systemfunktionen realisieren kann. Die Methoden zur Fehlersuche und zum Testen dieses Systems unterscheiden sich grundlegend von denen herkömmlicher Mikrocontrollersysteme. Dadurch entsteht ein völlig neues System, das gemischte Signale aus Modul und Digitaltechnik verarbeiten kann. Die SOC-Technologie ermöglicht es Mikrocontroller-Anwendungssystemen somit, einen höheren Integrationsgrad zu erreichen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SOC die Mikrocontroller-Anwendungstechnologie revolutioniert und die Designtechnologie elektronischer Anwendungssysteme von einer Ära der Auswahl kundenspezifischer Produkte von Herstellern hin zu einer Ära der Eigenentwicklung und -gestaltung von Geräten durch Anwender verändert hat. Dies markiert einen historischen Wendepunkt in der Mikrocontroller-Anwendung und leitet eine neue Ära ein. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass System-on-Chips (SoCs) unbestreitbar zum Kern der nächsten Generation angewandter Elektronik geworden sind. Dies ist nicht nur ein revolutionärer Meilenstein in der Elektronik selbst, sondern auch ein bedeutender historischer Wandel in deren Anwendung. SoCs sind nicht aus dem Nichts entstanden, sondern das Ergebnis jahrzehntelanger Erfahrung in der Anwendungstechnik und der Weiterentwicklung der Elektronik. Die Tatsache, dass IP die Grundlage von SoCs bildet, belegt dies eindrucksvoll. Als wichtiger Zweig der IP-Familie haben sich auch Mikrocontroller-Anwendungen von kundenspezifischen Systemanwendungen hin zu SoC-basierten Anwendungen entwickelt. Für Mikrocontroller-Anwendungsentwickler bedeutet dies nicht nur eine bedeutende Veränderung der Anwendertechnologie, sondern vor allem neue Herausforderungen. Gleichzeitig eröffnen SoCs der Mikrocontroller-Anwendungstechnik ein breiteres Entwicklungspotenzial.