新型高度集成的片上系统（SOC）处理器配备了高性能的x86多核处理器，离散级的图形处理单元（GPU），I / O控制器，和纠错码（ECC）高可靠性内存支持，这些都集成在单个芯片上。随着芯片级的集成，开发人员可以实现更高水平的处理效率，同时保留了低功耗的设计和显着的封装面积减少，这样能够降低生产成本，减少设计复杂性。
本文将描述单芯片SOC的优势、技术和目标市场，使开发人员能够做出明智的选择以决定这种类型的解决方案是否与他们的未来嵌入式设计项目匹配。
替代解决方案
典型的SoC处理器是由一个或多个微控制器或DSP核心，内存模块，定时源，外设，外部接口，模拟接口，电压调节器，电源管理电路组成的。处理器通常强大到足以运行Windows，Linux，Android，或RTOS操作系统。
传统上，SOC处理器架构没有被广泛用于图形密集型应用程序。对于这些应用，开发者通常要设计一个系统，使CPU和GPU是独立的处理单元，因此它们不能高效的协同工作。每个处理单元都有一个单独的内存空间，这就需要应用程序把数据从CPU复制到GPU，然后再将数据返回。一个这样完整的系统需要额外的芯片。
加速处理单元（APU），由AMD首创，由一个低功耗CPU和离散级GPU，以及双芯片架构的协同I/O单元构成（图1）。APU是实现新一代SOC处理器的第一步。比起单个的CPU或GPU，APU能够更高效的处理大量复杂数据，同时封装面积更小。
图1：新一代的针对图形的嵌入式SoC包括一个低功耗微处理器，一个专门的图形处理器单元和一个协同的I / O加速单元。
异构计算
单芯片SOC，如他们的APU前辈，能够提供“异构计算”，这是指由通常同一硅芯片上的多个类型的处理器，通常是CPU和GPU，构成的系统。异构计算有许多优点，但最重要的是，每个处理器的异构计算单元，都能够有效地执它最擅长的计算，并且计算单元能够协同工作。由于异构计算处理器间共享内存空间，所以没有必要为它们来回复制数据。
利用其高性能的矢量处理能力。板载GPU能够对非常的数据自由的执行并行操作，这比CPU处理功耗要低得多。同时，板载CPU负责标量处理任务，支持通用功能，例如运行操作系统。通过一个集成的单芯片SOC异构计算与特设CPU + GPU的芯片组相比，每瓦性能显著的提高。图1中，AMD G系列单芯片SOC的方框图中显示出了这些解决方案中的组件。
SOC的目标应用
数字标牌系统进行了优化，使得其能够在多个显示器上提供身临其境的高清视觉体验，它适用于广泛的环境中，如超市，商场，交通枢纽。这些系统需要高速高清多媒体内容的递送，通常需要小巧的外形设计。这类系统的低功耗是至关重要的，因为它有助于减轻散热系统对设计师的挑战。
瘦客户机高度依赖高清视频和图形能力，创建优秀的互联网体验取决于数据传输速率的提高。工业控制和自动化系统中，从无人控制系统到复杂的显示系统和人机接口，也依赖于高性能，低功耗的处理器架构。工业控制和自动化应用中，通常需要在较广的范围的设备支持软件。单芯片SOC在这一应用领域是一个有吸引力的选择，由于它支持开放的标准，如开放计算语言（OpenCL）。
异构计算系统在多厂商环境中的操作能力是另一个关键推动因素。 OpenCL，能够对GPU，CPU以及其他处理器并行编程，提供了一个统一的编程环境，开发人员能够在不同的硬件和软件平台编写高效，可移植的代码。借助OpenCL，程序员可以保留其宝贵的源代码投入，使代码能够跨平台复用。
高清显卡
为了给广泛的应用提供视觉上令人惊叹的图形，GPU（图形处理器）通常拥有硬件加速功能。统一视频解码器，它被AMD先进的GPU所包含，H.264，VC-1和MPEG-4视频格式能够原生在处理器级别解码。AMD的视频编解码器引擎，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格式压缩视频编码。视频解码和编码的专用硬件加速引擎对于多媒体密集型应用极为有利，如数字游戏和数字标牌。
标准的API支持也是一个高清视频应用的重要考虑因素，因为它使开发人员能够扩展他们的软件开发选项。OpenGL的API（最新版本为OpenGL4.3）支持2D和3D图形，通常在数字游戏里应用。DirectX API（最新版本是DirectX11.1），支持在Microsoft平台上的多媒体相关任务，提供2D和3D渲染，GPU计算，甚至电源效率，尤其适用于游戏和视频以及其他应用领域。
电子游戏系统，往往配有生动的3D图形显示在多个显示器上，可以从SOC处理的视频处理和图形优化获得显着的性能提升，从而中受益。 SOC处理器，配备了一个可扩展的，支持DirectX，基于x86的架构，可以帮助系统设计人员满足性能目标。
封装小
随着集成度更高（包括I / O控制器），单芯片SOC比同等性能的CPU+ GPU芯片组占用面积更小。正如前面提到的，单芯片SOC与双芯片解决方案相比，可以节省超过30％的空间，需要更少的电路板层。SOC提供的每瓦性能的优势，可以使设计师 在很多情况下，取消机械风扇设置。随着运动部件的减少，失败风险和噪音都能显着降低。
单芯片SOC的封装小使其成为众多应用领域的理想选择，不仅改善功耗，而且高性价比。小体积和低功耗也使单芯片SOC成为较小的单板计算机（SBC）和计算机模块（COM）设计的理想选择，包括PC/104，Pico-ITX主板，Q-Seven，nanoEXTexpress，Mobile ITX。
总结
单芯片SOC解决方案，如AMD G系列的嵌入式SOC，规模较小，提供惊人的性能提升，比大多数CPU + GPU的芯片组更节能。高集成度的SOC处理器可以节省设计人员宝贵的时间和成本，同时帮助他们实现先进的系统功能。
