SOC芯片技术及在安防集成系统中的应用
来源：中国一卡通网 作者：中国一卡通收录 发布时间：2012-01-11 09:22:45 字体:[大 中 小]
关键字： IC卡 SOC技术 安防
摘 要：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。而SOC技术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，使系统工程师能将精力集中在研究对象领域中的诸问题。
市场的需求决定着需要研发的SOC，考虑到我国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，研发数字家电类SOC已为国内各大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的研发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司；数字家电类SOC的研发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。目前，海尔研发出的可产品化的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DolbyDigital)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，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。
值得指出的是，集成电路技术的发展，并不意味着一代淘汰一代。实际上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原则各自占领相关应用领域。如目前已使用300mm硅片，但生产上仍使用150mm、200mm硅圆片，实际上150mm和200mm硅片的生产量几乎相等。100mm硅片的产量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0.5μm的在200mm硅片生产中仍占有21％的比例。
未来十几年，是我国微电子发展的关键时期。要充分利用我国经济调整发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一些时间的努力，充分掌握集成电路设计、生产的关键技术，提高国内外市场占有率和国内市场的自给率，以满足国民经济和国防工业对集成电路的需求。并且，形成良性循环的科研、生产体系，把我国微电子产业推进到一个崭新的阶段。
实际上，集成系统级芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术：
(1)软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势；
(2)IP模块库技术：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值；
(3)模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。
通过以上三个支持技术的创新，必将导致又一次以系统级芯片为特色的信息技术上的革命。目前SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。
3、SOC技术在安防集成中的应用
随着安防视频监控技术由数字化向网络化、高清化、智能化的发展，对安防视频监控系统设备的融合集成要求越来越高。随着微电子技术以及SOC芯片处理技术的不断发展，从而可融合集成一个“单片系统”，进一步提高了产品集成度，降低了成本，为大规模网络安防视频监控系统提供了一个更好的硬件平台。这个SOC芯片，即是具有多处理器核心的单片集成系统，其中集成有CPU主处理器，所集成的核心既可以是ASIC类的硬核，也可以是DSP或协处理器类的软核，甚至也包含其它的专用处理子系统，且集成有丰富的外设。由于SOC是面向特性应用的片上系统，结合硬件加速等技术可以实现H.264的高复杂度的算法运算，并可针对视频编码方面进行优化，以实现最优化效果。
SOC芯片从2006年开始就在视频监控设备中得到应用，它经历了CPU+DSP到CPU+ASIC的发展过程。CPU+ASIC在近几年给DSP市场带来了冲击，它把视频编解码算法固化在芯片内，集成丰富的外围接口，并通过提供完善的开发工具，极大地降低了DVR、DVS、IPC等监控设备开发门槛。
利用SOC的主要价值是它可以用较短的时间将产品设计出来，从而缩短产品的上市周期，有效地降低系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力。目前欧美市场的DVR厂商多采用SOC芯片方案；我国台湾的DVR厂商也多采用SOC芯片方案，华南地区的DVR企业也大多采用SOC芯片方案，华东、华北地区的DVR企业开始采用DSP芯片方案多一些，但随着SOC芯片技术的日渐成熟，也逐渐采用SOC芯片方案。随着产品集成度的提升，单路视频压缩处理的成本开始大幅降低，从而推动了安防视频监控技术的产业化与规模化发展。
目前，很多半导体方案提供商都在走向SOC，致力于提高集成度，引入先进工艺，降低系统成本，改善系统性能以增强市场竞争力。每一代新的SOC都能更为有效地优化和共享资源，增强各个子系统的协同工作能力，最小化成本、功耗，同时提高产品的可靠性。现在，所有芯片供应商都将致力于使下一代SOC能进行1080PH.264HD编码。
SOC不是简单的一个芯片，而是一个解决方案。它的出现，降低了设备成本，助力产业升级，也加速了行业标准的形成。同时，它有效地节省了设备厂家的对基本功能的大量的重复开发工作，让设备厂家真正聚焦行业的需求应用。随着SOC芯片的发展，会推动安防监控产品规模化发展，加速安防产品的普及度。DVR产品未来将会向多元化发展，以适应不同行业应用需求的发展，一方面通过集成度的不断提高降低成本，开发出更加普及化的产品；另一方面针对专业行业推出具有个性化的产品，适应不同专业市场的需求。
嵌入式DVR是在DVR应用成熟之后出现的新型产品形态，目前成为了市场上的主流产品。单芯片SOC方案具有集成度高、成本低和可靠性高的特点，非常适合安防行业的应用。下面列举几款在DVR、DVS与IPC中采用较为普遍的SOC。
（1）升迈科技推出的GM8180是高度集成的编解码系统单芯片，支持H.264、MPEG-4以及JPEG编解码，CPU核心频率可达333/500MHz，这给执行各种音频压缩编解码提供了动力。GM8180集成各种存储方式接口，还有图形输出接口。它支持高清影像传输接口，集成H.264硬件解码，在分辨率1280×720和1280×960下，H.264压缩效能可以达到30和22.5帧。还有双芯片主/从架构，同时具备双重PCI主/从模式的设计，也大幅减少多通道DVR应用的系统复杂度，单芯片能够实现H.264D175fps的编解码，非常适用于4路、8路H.264DVR。升迈科技于2008年底推出了针对4/8/16chDVR的GM8185(高效4D1Encode+2D1Decode)整合单芯片。
（2）海思开始推出的SOC芯片是Hi3510、接着推出了Hi3511与Hi3512。如Hi3511是全球首款带有MUX功能的H.264SOC芯片，单芯8路性能，是目前性价比最优的CIFDVR解决方案。Hi3511集成性能高达250FPS（352×288分辨率）的H.264/MJPEG双码流硬件编解码器和主频288MHz的ARM926处理器，支持4路BT656视频输入，16路音频输入和PCI接口，提供灵活的从1路到32路系列化嵌入式DVR和PCBasedDVR产品组合设计方案，有效地降低了客户开发与存储成本。
海思提供的自主知识产权的PC端H.264解码库，性能高达600FPS，解码效率达到业界一流水平，可满足平台化、多通道管理的客户需求。而Hi3512，是市面上性价比最高的4路DVR解决方案，不仅把性能提高到实时同编同解、网传等多工能力，还把BOM成本做到MPEG4的水平，是目前4路DVR的最佳选择。Hi3511与Hi3512同样也是比较好的DVS与IPC产品的SOC芯片，欲了解该芯片在DVR、DVS与IPC中实现方案的详情，可参阅本人在2010年10月《CPS安防集成商》上发表的“当前市场海思主流芯片在安防监控中的应用方案”一文。
目前，海思的第3代Hi3520芯片更加适用于现代高清的发展，它是基于ARM11处理器内核，其处理频率达600MHz，双DDR架构能提供更大的数据处理带宽和能力，能提供最佳的多路编解码DVR方案，最高分辩率1920×1080p@30Hz，接口丰富，能够带来更加清晰的画质和视频体验。显然，它将会在市场获得更为广泛的应用。
（3）TI针对数字多媒体的SOC芯片TMS320DM642通过与杭州海康威视的合作，成功推出了H.264的数字视频硬压卡；TMS320DM6446基于CPU+DSP的SOC芯片成为DVR设计的高性价比平台；支持1080p高清编解码的SOC芯片TMS320DM6467达芬奇处理器是一种基于DSP的片上系统(SOC)，特别适合实时多格式高清(HD)视频转码，并配套提供完整的开发工具与数字媒体软件。该系统解决方案集成了ARM926EJ-S内核与600MHzC64x+DSP内核，并采用高清视频协处理器、转换引擎与目标视频端口接口，在执行高达H.264HP@L4(1080p30fps、1080i60fps、720p60fps)的同步多格式高清编码、解码与转码方面，比前代处理器性能提高了十倍。显然，它将会成为下一代安防产品的重要开发平台。其他芯片如DM644x、DM643x、DM646x、DM648、DM3xx等也都适合数字视频服务器和录像机等产品的应用。
（4）恩智浦NXP目前有PNX1700、PNX1005用作DVR、DVS、NVR、混合DVR、IPC（IP摄像机）的主机处理器或协处理器。自2007年到现在，PNX1700被广泛用作DVR/DVS/NVR等的SOC或协处理器。PNX1700系列芯片适合于8×CIFMPEG4编码，也能提供高质量的MPEG4视频解码和音频解码。它是基于DSP（采用TM5250内核）的媒体处理器，支持视频压缩、视频分析、视频改善等，提供灵活的外设硬件模块。新芯片PNX1005（采用TM3282DSP内核）将支持8×CIFH.264压缩或H.264720P压缩。NXP将会把更多功能纳入考虑，例如：更多的视频输入、PCIe、SATA、千兆位以太网、多重编码能力、图像/视频预处理等。
TI和NXP作为传统DSP芯片厂商，随着监控设备商向标准的H.264压缩技术的逐渐靠拢，在陆续推出了ASIC+CPU或DSP+CPU架构的SOC芯片方案后，已经将目标投向纯SOC芯片的研发，为DVR、NVS、IpCamera量身定制SOC方案。升迈和海思一直致力于SOC芯片的研发和推广，为SOC芯片引入视频监控领域已做出了很大贡献，并已经取得了很大的成绩。
SOC芯片的发展趋势将表现在主控CPU的升级换代、视频协处理器的能力增强、DSP资源完全同于增值应用且同时支持定点和浮点运算，还有更多的高性能外设接口被集成到单片中来，如DVI、SATA、PCIe等等。
下一代安防专用SOC芯片的发展已经非常明晰：SOC芯片要设计具有D1/CIF双码流设计能力；能低成本组成1～16路D1DVR；具有高清输出系统（包括接口和输出能力）；具有固化标准H.264压缩算法以降低压缩成本；具有高清解码能力；具有高性能CPU等。从SOC芯片的发展趋势看来，“围绕着用户的体验用最优性价比的方式实现”是SOC芯片的重要发展轨迹。
4、结束语
由上看出，系统级芯片SOC已经成为IC业界的焦点,其要求的性能越来越强，规模越来越大。SOC技术在安防集成的应用中将越来越广，尤其安防视频监控系统的网络化、高清化、智能化更是离不开它。显然，它的发展也将推动安防视频监控技术的发展。
需要指出的是，在SOC设计中，仿真与验证是SOC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80%，因而采用先进的设计与仿真验证方法将成为SOC设计成功的关键。SOC技术的发展趋势是基于SOC开发平台,基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，还要向成品率、可靠性、EMC、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速地发展。
新闻投稿合作邮箱：yktchina-admin@163.com 字体[大 中 小] [收藏] [进入论坛]
