新型高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）處理器配備了高性能的x86多核處理器，離散級(jí)的圖形處理單元（GPU），I / O控制器，和糾錯(cuò)碼（ECC）高可靠性內(nèi)存支持，這些都集成在單個(gè)芯片上。隨著芯片級(jí)的集成，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)更高水平的處理效率，同時(shí)保留了低功耗的設(shè)計(jì)和顯著的封裝面積減少，這樣能夠降低生產(chǎn)成本，減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
本文將描述單芯片SOC的優(yōu)勢(shì)、技術(shù)和目標(biāo)市場(chǎng)，使開發(fā)人員能夠做出明智的選擇以決定這種類型的解決方案是否與他們的未來(lái)嵌入式設(shè)計(jì)項(xiàng)目匹配。
替代解決方案
典型的SoC處理器是由一個(gè)或多個(gè)微控制器或DSP核心，內(nèi)存模塊，定時(shí)源，外設(shè)，外部接口，模擬接口，電壓調(diào)節(jié)器，電源管理電路組成的。處理器通常強(qiáng)大到足以運(yùn)行Windows，Linux，Android，或RTOS操作系統(tǒng)。
傳統(tǒng)上，SOC處理器架構(gòu)沒(méi)有被廣泛用于圖形密集型應(yīng)用程序。對(duì)于這些應(yīng)用，開發(fā)者通常要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，使CPU和GPU是獨(dú)立的處理單元，因此它們不能高效的協(xié)同工作。每個(gè)處理單元都有一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存空間，這就需要應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)從CPU復(fù)制到GPU，然后再將數(shù)據(jù)返回。一個(gè)這樣完整的系統(tǒng)需要額外的芯片。
加速處理單元（APU），由AMD首創(chuàng)，由一個(gè)低功耗CPU和離散級(jí)GPU，以及雙芯片架構(gòu)的協(xié)同I/O單元構(gòu)成（圖1）。APU是實(shí)現(xiàn)新一代SOC處理器的第一步。比起單個(gè)的CPU或GPU，APU能夠更高效的處理大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，同時(shí)封裝面積更小。
圖1：新一代的針對(duì)圖形的嵌入式SoC包括一個(gè)低功耗微處理器，一個(gè)專門的圖形處理器單元和一個(gè)協(xié)同的I / O加速單元。
異構(gòu)計(jì)算
單芯片SOC，如他們的APU前輩，能夠提供“異構(gòu)計(jì)算”，這是指由通常同一硅芯片上的多個(gè)類型的處理器，通常是CPU和GPU，構(gòu)成的系統(tǒng)。異構(gòu)計(jì)算有許多優(yōu)點(diǎn)，但最重要的是，每個(gè)處理器的異構(gòu)計(jì)算單元，都能夠有效地執(zhí)它最擅長(zhǎng)的計(jì)算，并且計(jì)算單元能夠協(xié)同工作。由于異構(gòu)計(jì)算處理器間共享內(nèi)存空間，所以沒(méi)有必要為它們來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)。
利用其高性能的矢量處理能力。板載GPU能夠?qū)Ψ浅５臄?shù)據(jù)自由的執(zhí)行并行操作，這比CPU處理功耗要低得多。同時(shí)，板載CPU負(fù)責(zé)標(biāo)量處理任務(wù)，支持通用功能，例如運(yùn)行操作系統(tǒng)。通過(guò)一個(gè)集成的單芯片SOC異構(gòu)計(jì)算與特設(shè)CPU + GPU的芯片組相比，每瓦性能顯著的提高。圖1中，AMD G系列單芯片SOC的方框圖中顯示出了這些解決方案中的組件。
SOC的目標(biāo)應(yīng)用
數(shù)字標(biāo)牌系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得其能夠在多個(gè)顯示器上提供身臨其境的高清視覺(jué)體驗(yàn)，它適用于廣泛的環(huán)境中，如超市，商場(chǎng)，交通樞紐。這些系統(tǒng)需要高速高清多媒體內(nèi)容的遞送，通常需要小巧的外形設(shè)計(jì)。這類系統(tǒng)的低功耗是至關(guān)重要的，因?yàn)樗兄跍p輕散熱系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)。
瘦客戶機(jī)高度依賴高清視頻和圖形能力，創(chuàng)建優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)取決于數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。工業(yè)控制和自動(dòng)化系統(tǒng)中，從無(wú)人控制系統(tǒng)到復(fù)雜的顯示系統(tǒng)和人機(jī)接口，也依賴于高性能，低功耗的處理器架構(gòu)。工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用中，通常需要在較廣的范圍的設(shè)備支持軟件。單芯片SOC在這一應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)有吸引力的選擇，由于它支持開放的標(biāo)準(zhǔn)，如開放計(jì)算語(yǔ)言（OpenCL）。
異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)在多廠商環(huán)境中的操作能力是另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素。 OpenCL，能夠?qū)PU，CPU以及其他處理器并行編程，提供了一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，開發(fā)人員能夠在不同的硬件和軟件平臺(tái)編寫高效，可移植的代碼。借助OpenCL，程序員可以保留其寶貴的源代碼投入，使代碼能夠跨平臺(tái)復(fù)用。
高清顯卡
為了給廣泛的應(yīng)用提供視覺(jué)上令人驚嘆的圖形，GPU（圖形處理器）通常擁有硬件加速功能。統(tǒng)一視頻解碼器，它被AMD先進(jìn)的GPU所包含，H.264，VC-1和MPEG-4視頻格式能夠原生在處理器級(jí)別解碼。AMD的視頻編解碼器引擎，包括在AMD G系列SOC的集成GPU，采用全面，定制的硬件加速H.264格式壓縮視頻編碼。視頻解碼和編碼的專用硬件加速引擎對(duì)于多媒體密集型應(yīng)用極為有利，如數(shù)字游戲和數(shù)字標(biāo)牌。
標(biāo)準(zhǔn)的API支持也是一個(gè)高清視頻應(yīng)用的重要考慮因素，因?yàn)樗归_發(fā)人員能夠擴(kuò)展他們的軟件開發(fā)選項(xiàng)。OpenGL的API（最新版本為OpenGL4.3）支持2D和3D圖形，通常在數(shù)字游戲里應(yīng)用。DirectX API（最新版本是DirectX11.1），支持在Microsoft平臺(tái)上的多媒體相關(guān)任務(wù)，提供2D和3D渲染，GPU計(jì)算，甚至電源效率，尤其適用于游戲和視頻以及其他應(yīng)用領(lǐng)域。
電子游戲系統(tǒng)，往往配有生動(dòng)的3D圖形顯示在多個(gè)顯示器上，可以從SOC處理的視頻處理和圖形優(yōu)化獲得顯著的性能提升，從而中受益。 SOC處理器，配備了一個(gè)可擴(kuò)展的，支持DirectX，基于x86的架構(gòu)，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員滿足性能目標(biāo)。
封裝小
隨著集成度更高（包括I / O控制器），單芯片SOC比同等性能的CPU+ GPU芯片組占用面積更小。正如前面提到的，單芯片SOC與雙芯片解決方案相比，可以節(jié)省超過(guò)30％的空間，需要更少的電路板層。SOC提供的每瓦性能的優(yōu)勢(shì)，可以使設(shè)計(jì)師 在很多情況下，取消機(jī)械風(fēng)扇設(shè)置。隨著運(yùn)動(dòng)部件的減少，失敗風(fēng)險(xiǎn)和噪音都能顯著降低。
單芯片SOC的封裝小使其成為眾多應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇，不僅改善功耗，而且高性價(jià)比。小體積和低功耗也使單芯片SOC成為較小的單板計(jì)算機(jī)（SBC）和計(jì)算機(jī)模塊（COM）設(shè)計(jì)的理想選擇，包括PC/104，Pico-ITX主板，Q-Seven，nanoEXTexpress，Mobile ITX。
總結(jié)
單芯片SOC解決方案，如AMD G系列的嵌入式SOC，規(guī)模較小，提供驚人的性能提升，比大多數(shù)CPU + GPU的芯片組更節(jié)能。高集成度的SOC處理器可以節(jié)省設(shè)計(jì)人員寶貴的時(shí)間和成本，同時(shí)幫助他們實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的系統(tǒng)功能。
