（信号与信息处理专业论文）多媒体系统集成芯片的实现与验证研究.pdf

浙江大学硕土学位论文 摘要 随着半导体工艺技术的不断发展和多媒体算法的不断深入研究， 在单片芯片上集成原来 分离的媒体处理器芯片， 构造多媒体系统集成芯片， 已 成为多媒体处理系统的发展趋势。 本 文介绍if 浙江大学信息与电子工程学系s o c r m a i n l y d i s c u s s t h e s y n t h e s i s , p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n a n d s t a t i c v e r i f i c a t i o n f o r m e d i a s o c . t h e m a i n c o n t e n t s a n d w o r k s i n t h i s p a p e r i n c lu d e : a s t h e b r i d g e w h i c h l i n k s l o g i c d e s i gn a n d p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n , s y n t h e s i s i s b e c o m i n g m o re a n d m o re i m p o r t a n t i n m o d e m i c d e s i g n . f o r t h e d u a l - c o r e f e a t u r e , w e d i s c u s s t h e a r c h i t e c t u r e d e s i g n w h i c h b e n e f i t s s y n t h e s i s . o n t h e o t h e r h a n d , m e d i a s o c t a k e s t h e p h y s i c a l s y n t h e s i s fl o w b e c a u s e o f t h e l i m i t a t i o n o f t r a d i t i o n a l l o g i c s y n t h e s i s . d u r i n g t h e w o r k i n g i n m e d i a s o c s y n t h e s i s , w e t i g h t ly i n t e g r a t e l o g i c s y n t h e s i s a n d p h y s i c a l s y n t h e s i s , a n d u s e d i f f e r e n t s t r a t e g y i n d i f f e r e n t s y n t h e s i s p h a s e s . i n o r d e r t o d i s c o v e r b u g s i n t h e p h y s i c a l d e s i gn a s e a r l y a s w e c a n , w e b u il d p h y s i c a l p r o t o t y p i n g i n t h e d e s i gn o f me d i a s o c f ir s t l y , w h i c h c a n c o m p r e s s p h y s i c a l f e a s i b i l i t y s t a g e d o w n t o a f e w h o u r s . t h e e s t a b l i s h m e n t o f p r o t o t y p i n g e n a b l e s t h e e n g i n e e r s t o e v a l u a t e d e s i g n t r a d e - o f f s a n d c r e a t e s a r e a l i s t i c i m p l e m e n t a t i o n p l a n . s e v e r a l k e y i s s u e s a r e a l s o s t u d i e d i n p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n s t a g e , i n c l u d i n g p h y s i c a l m o d u l e p l a n n i n g , p o w e r g r i d d e s i g n , c l o c k t r e e d e s i g n a n d t i m i n g , a n d w i t h t h e s o l u t i o n t o t h e p r o b l e m s a b o v e , w e e n s u r e t h e s u c c e s s o f c h i p i m p l e m e n t a t i o n me d i a s o c s o f t w a r e v e r i fi c a t i o n i s a l s o s t u d i e d i n t h i s p a p e r , i n c l u d i n g d y n a m i c v e r i f i c a t i o n a n d s t a t i c v e ri fi c a t i o n . d y n a m i c v e r i f i c a t i o n i s d i v i d e d i n t o m o d u l e v e r i f i c a t i o n a n d s y s t e m v e r i f i c a t i o n . f u rt h e r m o r e , t h r e e p r i n c i p l e s a r e s u g g e s t e d i n s t a t i c v e r i fi c a t i o n o f me d i a s o c , w h i c h i n c l u d e s s t e p - b y - s t e p v e r i fi c a t i o n , h i e r a r c h i c a l / fl a t t e n e d c o- v e r i f i c a t i o n a n d s t a t i c / d y n a m i c c o - v e r i fi c a t i o n . b y u s in g s o f t w a r e v e r i f i c a t i o n , w e c a n n o t o n l y v e r i f y t h e f u n c t i o n a n d p e r f o r m a n c e o f d e s i g n , b u t a l s o g i v e s o m e u s e f u l a d v i c e f o r t h e o p t i m i z a t i o n o f d e s i g n , a n d c o m b i n e v e r if i c a t i o n a n d d e s i gn t i g h t l y . k e y w o r d s : m e d ia p r o c e s s o r , s y s t e m o n c h i p , p h y s i c a l s y n t h e s i s , p h y s i c a l p r o t o t y p in g , s t a t i c t i mi n g a n a l y s i s , f o r m a l v e r i fi c a t i o n 第2 页 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 随着人们对多媒体需求的不断增长， 产生了各种各样的 媒体处理技术， 对多媒体处理系 统也提出了 许多新的要求。 多媒体处理系统必须具备强大的计算能力、 提供灵活的应用方法 来支持各方面的多媒体应用，这就需要加强对多媒体处理系统的架构以 及实现方式的研究 深亚微米半导体技术已 使得在一块芯片上集成几亿个品体管成为可能， 随着芯片集成度 的飞速提高， 一个电子系统或分系统可以完全集成在一块芯片之上， 集成电路的设计已经进 入系统集成芯片时代。单片系统级芯片在速度、功耗、成本上较多芯片系统有很大的优势。 在单块芯片上集成原来分离的媒体处理器芯片， 构造多媒体系统芯片， 已成为多媒体处理系 统的发展趋势。 本章首先介绍了多媒体系统集成芯片， 包括多媒体处理器的分类、 多处理器的多媒体处 理芯片的架构以及系统集成芯片的设计方法。然后重点介绍了多媒体系统集成芯片 m e d i a s o c的体系结构及其设计、实现与验证的 流程。 1 . 1 多 媒体系统集成芯片综述 多媒体系统集成芯片以多媒体应用为目 标，在单个芯片上包含了一个或多个的处理器 核、 各种存储单元、 灵活应用的 接口 模块、 片上总线等等， 构成一个系统集成环境来满足口 益增长的多媒体应用领域。 1 . 1 . 1 多媒体处理器的分类 多媒体处理器是多媒体系统集成芯片的核心。 多媒体处理器的实现方式多种多样， 可以 图 川 多媒体处理器的分类 第 5页 浙江大学硕士学位论文 根据其体系结构对其进行分类 1 ， 如图1 . 1 所示。 一类是传统的通用可编程处理器， 如各种工作站和个人电脑的中央处理器。 这类处理器 又可以分为c i s c和r i s c两大类体系结构。 前者的代表如i n t e l 的p e n t i u m 4 处理器和a md 的a t h l o n 处理器， 而后者的代表有s u n的s p a r c 系列处理器和i b m的p o w e r p c系列。 c i s c 处理器着眼于 采用复杂的 指令系统， 一条指令完成复杂操作以降 低指令条数而提高性能 而 r i s c处理器则着眼于降 低每条指令执行周期数c p i 以 提高性能，因 此采用了 简单的 指令系 统。 为了适应多媒体处理的需要， ,言 们大都针对多媒体处理进行了 扩展。 其中一部分通过扩 展指令集， 增加专用的 媒体处理指令， 从而增强了 媒体处理能力， 如p e n t i 。 系列的m m x 2 , s s e , s s e 2 3 指令扩展， a m d公司的3 d n o w ! 4 5 指令扩展， u l t r d s p a r gi 处理器的v i s 6 和p o w e r p c的a lt iv e c 7 指令扩 展。 另外一 类处理 器没 有增加媒 体处理指令， 为f 补偿 这些 处理器没有特殊的 指令集支持， 他们都采用了一些其他技术来增强计算能力， 例如t r a n s m e t a 公司c u r s o e 系列 8 采用代码变换技术，该技术可以 将x 8 6 命令组直接变换成 1 2 8 b i t v l i w 命令组，由 此可省略执行x 8 6 命令的复杂电路，以简单的v l i w型构造硬件部分。 另一类可编程处理器是专用可编程处理器，如数字信号处理器( d s p ) 和视频/ 音频处理 器。 这类处理器为了专门的目的而设计， 如专为数字滤波器应用而设计，因而专门针对特殊 的应用作了一些优化，如 d s p处理器最典型的特性就是对乘累加指令的硬件支持。此外， 最新的媒体/ 视频处理器不仅提供了乘累加指令的支持，同时提供了对复杂图像处理任务如 扭曲 和 透视变换的 硬 件支 持。 t i 公司 的t m s 3 2 0 c系列 就是 前者的 一 个例子， 而p h i lip s 的 t r i m e d i a t m 3 2 和m - p i r e 9 是后者的例子。 具有代表性的d s p 芯片包括t i 公司t m s 3 2 0 系列、 a d公司a d s p 系列、 m o t o r o l a 公司m 系列、s t a r c o r e 公司的s c系列等d s p 处理器。其中， t ms 3 2 0 c 6 4 x x 采用 v l i w结构，具有类似 r i s c的3 2 位简单指令，支持 s i md操作， 包含片上指令c a c h e ，时钟频率高等特点， 使其成为一代d s p处理器的典型产 品 1 0 0 与可编程处理器不同， 另一大类处理器是专用处理器。 这一类处理器采用全硬件实现特 定的多媒体处理算法， 因此其对特定算法的解决方案可以达到最优， 其芯片面积， 功耗， 多 媒体处理能力等等方面都比可编程处理器要好。 这类处理器典型的例子如各种针对离散余弦 变换( d c t ) 处理的专用处理器 1 1 - 1 3 , l s i l o g ic的l 6 4 7 3 5 d c t处理器芯片和三菱的 a d v a n c e d t e l e v i s i o n ( a t v ) 解码器。 但专用处 理器比 较可编 程处理 器而言 丧失了 设计灵活性， 只能用于特定的算法， 其设计可重用性较差。 在多媒体标准日新月异的今天， 这类处理器逐 渐丧失了其优势。 随着多媒体算法的 复杂度和多 样性增加， 产生了 一类新的解决方案， 就是可重配置处理 器。 随着现场可编 程门 阵 列 ( f p g a ) 在测试 和验证电 路中的 广泛应用， 处理器的资 源在运行 时 重f 置的 思 想开 始发 展 起来。 f p g a包含了 可配 置 逻辑 块( c l b ) 阵 列， 可以 实 现各 种各样 的逻辑功能。 这一类处理器介于可编程处理器和专用处理器之间， 其性能比可编程处理器强 而又比专用处理器增加了灵活性。 这类处理器的例子如ma t r i x和x i l i n x 和a l t e r a 的f p g a , m a t r i x 1 4 含8 位宽的 计算元素， 存储器， a l u和控制单元单片处理器。 x i l i n x 和 a l t e r a 第 6页 浙江大学硕十学位论文 的最新的f p g a包含了一位计算单元。 能够在小于一毫秒的时间内部分的重配置. x i l i n x 的 最新f p g a 还包含了 最多 达4 个的p o w e r p c 核 和 大量的 可重配 置片 上资 源和i p 核 汇 1 5 1 . 可编程处理器、 专用处理器和可重配置处理器三大类媒体处理器中， 可编程处理器以 其 成本 低， 设 计灵 活， 上市时 间 ( t i m e - t o - m a r k e t) 短等 优势占 据了 绝大部 分的市 场。 在多 媒体系 统集成芯片设计中，可编程的处理器内核得到了 最广泛的应用。 1 . 1 . 2多处理器的多媒体系统集成芯片的体系结构 多媒体系统集成芯片中包含了单个或多个的多媒体处理器，随着多媒体技术的不断发 展，越来越多的系统芯片中集成了多个处理器内核，形成多处理器的多媒体系统集成芯片 人们可以将多处理器设计定义为这样的系统:它把各项功能和任务分配给多个处理器去完 成， 而这些处理器 彼此协调、 互相沟通， 以 保证行为一致。 多处理器系统比 单处理器设计更 加复杂。 它要求为内 务操作和协调功能 进行额外的编程， 调试也更为复杂。 这是因为多处理 器系统需要各处理器间的交互作用， 而在单处理器体系结构中不存在这种处理器之间的交互 作用的问 题。 尽管多处理器设计增加了复杂性， 但多 年来， 它一直用于高性能计算机和工作 站中， 而且正跻身于日 益增多的嵌入式系统应用之中【 1 6 1 . 人们之所以 使用多个处理器， 一条突出的理由是， 它们能够比单个处理器提供更强的处 理能力。 在实时的多媒体应用系统中， 需要同时对视频流和音频流处理， 要求芯片达到侮秒 上1 0 亿次的 处 理速 度， 这靠单 个处 理器 是无法 完成的 。 例如， n o k ia 的n - g a g e 系 统包含了 一 个移动电 话、 迷 你唱 片播 放机和 m p 3播 放机 1 7 1 。 又如， 机顶 盒能够 访问 数 字电 视以 及 相关的 节目 ， 也能够作为网 关访问 英特网， 甚至能够作为家庭网 络的 集线器。 对于以 上这些 应用， 系统架构者往往需要通过多处理器的设计 才能获得所需要的性能指标。 同时， 深亚微 米集成电路系统芯片的不断发展， 也使得在单个芯片内 集成多个处理器和大量的存储单 元成 为可能。 v i p e r 是应用 于机 顶盒的 一 种多 处理器芯 片 【 1 8 - 1 9 ) 。 它包 含了 一 个3 2 位的m i p s 微处 理器 核和一 个p h ilip s t r im e d i a d s p 处理 器核。 m i p s 处 理 器 核工 作在1 5 0 m 1 % ， 用来 控制整 个系统芯片以及处理应用层; d s p处理器核工作在2 0 0 1 1 z ， 负责处理所有的多媒体计算。 除 了 这两个通用的处理器核，v i p e r还包含了多个专用多媒体协处理器、芯片输入输出单元 以 及高性能的总线，便于同时处理视频、 音频、图形和数据传输。 系统集成芯片mb r i d可以 广泛使用于多媒体 应用领域 2 0 - 2 2 1 ， 它包含了 三个可编程的 处理器核， 分别为d s p 处理器核h i p a r ， 宏块处理器核mp 和流处理器核s p ， 这三个处理 器核都根据各自 应用领域的算法作了 优化。d s p处理器核h i p a r采用4 发射的超长指令字 ( v l i w ) 结构，包含了1 6 条并行的数据通道， 并且 根据两维的d s p 数据处理算法作了 优化， 适用于f f t以及滤波方面的应用。宏块处理器核 m p适用于视频流中的宏块处理，它包含 了 一个异质结构的数据通道， 采用了亚字并行技术， 并且根据典型的视频流处理步骤对指令 集作了 优化。流处理器核s p 适用于比 特流的处理、全局的系统控制以 及不同界面单元之间 第 7页 浙江大学硕士学位论文 的 数据流管理， 它采用一个r i s c处理器核来实现。 除了以 上三个可编程处理器核， h i b r i d 提供了大量的片上存储单元，方便的接口 单元，以及一 个6 4 位的a m b a a i e 系统总线。 文献 2 3 - 2 4 介绍的。 m a p架 构 便属于另一 个典型的r i s c与d s p 双核 结构。 如 图1 .2 所示，它包含一个t i 的t ms 3 2 0 c 5 x d s p处理器核，以 及一个a r m9 2 5 t r i s c处理器核。 两个处理器都有各自 的存储管理单元，通过各自的接口 信号与外设进行通讯。 胃 c l 爵arm $ ;lym ni 1#q dma 处理 器核 高速缓存 mm u 存储 接口 图 1 . 2 o ma p结构 o m a p 架构中的r i s c核负责执行控制类任务， 如操作系统， 用户接口 ， 操作系统应用 等，而d s p核负责执行信号处理任务， 如m p e g 4 编解码等。两者分工明 确，使其能 适用 于复杂多媒体任务要求。o m a p架构的另一优势在于它所采用的两个处理器核具有成熟的 开发工具，软件开发可以在t i 和a r m提供的工具平台上进行。 为了使用多媒体应用的需要，不同的多处理器核多媒体处理芯片总是存在一些相通之 处， 山上面一些例子我们可以 得出在多处理器核多媒体处理芯片的体系结构中， 包含以下几 个特点: 1 : 至少包含一个d s p 核和一 个 r i s c 核， 甚至包含更多的处理器内核。 r i s c处理器核 最适用于执行控制类代码，如操作系统、 用户接口、 系统控制等等; d s p处理器适用于信 号处理应用， 如f i r滤波: f f t变换; 小波变换等等。 处理器可以 来自 于处理器提供商， 也 可以自 行设计，通常处理器指令集加入了多媒体增强指令。 2 :集成了专用的多媒体协处理器或是专用 a s i c部件。专用部件加快了 某些特殊算法 的 执行速度， 例如h u f fu m a n 解码、 t v 编码器等， 它以 最小的 硬件代价获得最高的性能。 3 :高性能的片上总线。多个处理器系统之间的交互作用使得处理器之间的通信机制变 得复杂， 此外， 处理器还需要同片上和片外存储单元之间相互通信。 所以， 多媒体系统集成 芯片需要高 性能的片上总线系统来支持不同 部件之间的 通信。 4 :丰富的片上存储资 源。多媒体应用中 存在大量的 数据， 所以 需要大容量的片上存储 资源来存放数据。现阶段的多处理系统集成芯片中，存储单元已经占到总面积的 5 0 / 0 ，并 且这一数据到2 0 0 5 年将增长到7 0 % , 2 0 1 4 年增长到92% 【 巧 第 8 页 浙江大学硕士学位论文 5 : 灵活多变的接口。 包括与片外各种存储单元的接n，以及音频、 视频输入输出接口。 以上几个部分构成了多媒体系统集成芯片主要的硬件体系结构， 此外， 由于采用了可编 程的处理器核， 编译器设计与软件开发在系统集成环境中 越来越重要， 用灵活的高性能软件 实现逐步代替硬件单元，已经成为多媒体系统集成芯片的一大趋势。 1 . 1 . 3系统集成芯片的设计方法 刘于系统集成芯片设计， 最常采用的 是基于平台的设计方法 2 5 . 基于平台的设计方法 针对特定的产品 应用，以i p复用、 片上 总线为基础，以软硬件协同开发为特征，根据产品 的系统目 标来选择功能模块， 进行模块互连和系统功能验证。 集成平台主要包括硬件开发平 台和软件开发平台两个部分: 硬件方面包括系统集成芯片的结构性能指标描述， 片上总线结 构设计， 功耗要求， 时钟树和测试功能设计， 管脚配置， 对功能模块的功率要求以 及面积限 制等等。 软件方面主要包括编译系统， 实时操作系统r t o s ， 底层驱动软件，中间件软件以 及应用软件的分层， 任务调度和任务间 通信等等。 基于平台的设计方法着眼点在设计的系统 层，它需要新的软硬件协同设计方法、协同验证技术来支持系统层的算法和结构的分析。 设计要求 洲鉴监炸牛 图1 . 3 基于平台的正交型系统集成芯片的设计方法 文献 2 6 提出了 一种新的 基于平台的正交型系统集成芯片的设计方法。 如图1 . 3 所示， 该设计方法以 平台为基础， 在系统级把设计分成了 三个部分: 验证、 设计和设计支持， 其核 心部分是设计，验证和设计支持为设计部分服务，设计部分又分为以下几个步骤: 功能设计: 功能设计根据系统的设计要求， 采用系统功能描述语言和工具， 确定系统总 的功能。功能设计需要经过系统仿真的充分验证，以确定其功能实现的正确性。 平台映射: 把系统的功能映射到平台库中， 从而确定基本的系统软件和系统硬件的体系 第 9页 浙江大学硕士学位论文 结构。 设计支持提供平台 库， 包含了软件和硬件这两类平台库。 通过平台库的映射自 动完成 软硬件的划分，从而确定系统的软硬件平台 i p映射: 平台 只是确定了 系统的基本架构， 它不可能包含系统所需要的 所有功能， 所 以需要加入 些相关的i p 模块， 从而完成整个系统的架构实现。 i p映射同样需要i p 库的支 持，也需要通过性能分析确定i p的类型。 系统整合:系统整合是整个系统设计的核心， 它需要把i p模块、用户自 行设计的r t l 模块、 软件设计整合到一 个系统平台中 去， 从而完成系统的设计。 系统整合过程需要软硬件 协同验证，确定其整合过程正确与否。 该系统集成芯片设计方法的一个显著特点是正交性，把平台映射和 i p映射分割开来， 另一个显著特点是把设计支持、 验证同设计本身分割开来。 设计支持是平台的基础， 它为平 台提供了i p 、软件、r t l代码等方面的 库资源。验证则保证了 设计的每一步功能正确、性 能满足设计的要求。 基于平台的集成电 路设计方法能 够大幅度地提高设计的效率， 并且降低 设计的风险，它在系统集成芯片中得到了广泛的应用。 1 . 2多媒体系统集成芯片me d i a s o c设计与实现 m e d i a s o c系列是由 浙江大学信息与电 子下程学系s o c r m e d i a d s p 3 2 0 0则包含了 8 k b y te双端口的 r a m ( m - 1 - r a m) ， 用来存 放指令， 以 及2 4 k b y t 。 单端口 的 数据r a m ( m d es r a m) 。 另 外， 由 于这两个核被配置成主从结构的方式，m e d i a d s p 3 2 0 0 的启动受r i s c 3 2 0 0 的控制，所以处 理器核 r i s c 3 2 0 0能够访问 m e d i a d s p 3 2 0 0的指令 r a m 和数据 r a m，并且在每次启动 m e d i a d s p 3 2 0 0 之前，首先完成所有数据的 搬运。 存储控制器包括了d r a m控制器、s d r a m控制器、 f l a s h 控制器和 s r a m控制器。 d r a m 用于存放视频数据，通过配置，d r a m i s d r a m 接g可以用来支持不同类型的 d r a m / s d r m器件。 f l a s h 控制器用来控制程序数据在f l a s h 中的 存放， 而芯片测试用的 指 令和数据存放在s r a m 1 1, ，这需要s r a m控制器单元的处理。 多媒体系统芯片m e d i a s o c是一种典型的多任务系统芯片。 芯片内 部众多的 数据请求源 第 h 页 浙江大学硕上学位论文 都要通过总线访问单一的片外存储器，合理调度这些总线请求成为系统设计的关键。 m e d i a s o c 采用了一种基于多通道d m a 的总线调度策略，将片内对片外存储器的访问分为 6 个清求源，形成相对独立的6 个数据传输通道，每个数据传输通道都有各自的任务和特点， 方便了片内片外存储器的访问。 此外，m e d i a s o c 还提供了其他一些a s i c 部件，用来协助多媒体系统的处理，例如 c d r o m 解码模块、音视频播放模块，这些模块同其他部件一起构成了完整的多媒体处理系 统。 1 2 2 多媒体系统芯片m e d i a s o c 设计流程 多媒体系统集成芯片m e d i a s o c 中包含了两个硎编程的处理器内核，在构造多媒体处理 系统时，一部分由硬件提供处理能力，另一部分山软件提供设计的灵活性。因此，在m e d i a s o c 的设计中彳i 可避免的采用了软硬件协同设计的方法。在文献 2 7 】叶| ，w 0 i f 总结了软硬件系统 设计流程，并把这一流程看作是反复进行划分、分配、调度和映射的过程。 多媒体系统集成芯片m e d i a s o c 采用了基于标准单元的设计方法，标准单元法是库单元 设计方法中的一种，它的特点是各个单元在版图上具有同一高度，但宽度不等 2 8 1 。除了等 高的标准单元外，还可以插入宏单元，比如存储器单元，也可以是经专门定制设计的功能模 块，如锁相环等。标准单元的设计方法具有设计周期短、成本低、成功率高以及系统可扩展 性好等优点。m e d i a s o c 基于标准单元的实现过程包含了综合和物理实现两大部分，利用 e d a 工具分别采用了物理综合流程以及物理原型的设计方法，保证了m e d i a s o c 次性 流片成功。 此外，m e d i a s o c 的设汁、实现过程是包含在一个完整的验证环境中的，没有详细验证 的保证，就不可能有正确的、令人信服的结果。m e d i a s o c 同样采用了软硬件系统验证的策 略，验证内容不但包含了功能验证，还包含了性能评估。采用的验证技术有动态仿真、f p g a 系统验证、形式验证、静态时序分析、物理验证等等。在第四章中，详细分析了m e d i a s o c 的验证流程以及验证策略。 第1 2 贞 浙江人学硕上学位论文 根据软硬件协同设计流程，基于标准单元丁艺芯片设计流程，咀及全芯片验证环境，可 以得出图l5 巾m e d i a s o c 的设计、实现以及验证流程。以下重点分析其设计与实现的流程。 图15 多媒体系统集成芯片m e d i a s o c 的设计、实现与验汪流程 1 ：系统功能与规格要求： 确定系统的设计目标，包括系统的功能、系统的性能要求等等。通过系统功能与规格要 求书的编写，确定系统需要实现的目标，设计人员根据这个设计目标构造实现方案并最终完 成整个设计。多媒体系统集成芯片m e d i a s o c 以音视频解码系统为设计目标，要求芯片能够 达到满足m p e g l 解码以及m p 3 播放所需要的性能，同时，经过小范围的重新配置和修改， 能够进行m p e g 4 以及h 2 6 4 的解码系统。此外，为了达到m e d i a s o c 的设计功能目标，需 要详细制定出其速度指标、功耗指标、面积要求等等。总之，通过系统功能与规格要求的定 义，明确了m e d i a s o c 的设计要求与设计方向。系统功能与规格要求的定义不是一蹴 m 就的， 它需要在系统结构定义的过程中不断修改，最终得到切合实际的设计目标。 第1 3 页 浙江大学硕士学位论文 2 ：软硬件划分： 根据系统功能与规格要求，确定系统的硬件部分和软件部分。一般来说，专用的硬件实 现速度快，功耗低，能够以最小的硬件代价获得最高的设计性能，但是硬件实现的灵活性筹。 软件实现恰恰相反，它具有很强的灵活性，通过修改软件代码，能够使系统适用与不同的应 用场合，但是软件实现的速度比较慢。所以，软硬件划分需要在硬件的高性能与软件的灵活 性中做出权衡，在满足设计要求的情况下，用最小的软件和硬件代价得到高性能、灵活的芯 片实现。多媒体系统芯片m e d i a s o c 的设计目标是音视频解码系统，该设汁目标要求 m e d i a s o c 能够具有很强的灵活性，从而能够适应音频、视频多方面的解码要求，所以， m e d i a s o c 小可避免的需要大量的软件来支持其系统实现。m e d i a s o c 的软件实现是通过在 其可编程处理器核上运行程序，从而完成大部分的音视频解码处理。此外，m e d i a s o c 还提 供了一些专用的a s i c 硬件模块：如外存储控制器、视频播放模块、d m a 控制器等，适用 于一些需要高速、重复的任务中。目前，基于可霞用性、低成本的考虑，越来越多的系统采 用软件的方法来完成硬件的实现。从纯硬件设计向可运行软件的硬件设计过渡，可以允许在 设计的最后阶段修改系统说明，也可以根据已有的系统结构来设计新的系统，从而获得较好 的重用性，也降低了设计的成本。所以，在m e d i a s o c 的设计中，在满足设计性能指标的要 求下，尽可能利用可编程处理器提供的指令集进行软件设计、实现系统功能。 3 ：硬件设计 完成软硬件划分后，就可以同时进行软件和硬件的设计。系统集成芯片的硬件设计首先 需要对硬件的结构进行划分，把整个大的硬件系统分成若干个硬件子系统，每个了：系统完成 特定的功能。然后并行进行每个子系统硬件设计，通过选择合适的i p 模块阻及编写r t l 源 代码，完成各个子系统的构建。最后把每个子系统整合起来，在顶层处理子系统之间的连接 与通信，最终完成整个系统的设计。多媒体系统芯片m e d i a s o c 的硬件部分分成了d s p 处 理模块、r i s c 处理模块、外存储控制器、d m a 控制器、视频播放模块等等。d s p 模块中 重点采用r 自主开发的i p 处理器核m e d i a d s p 3 2 0 0 ，负责视频解码部分；r i s c 处理模块同 样采用了自主开发的i p 处理器核r i s c 3 2 0 0 ，负责系统控制以及音频解码部分；其他硬件模 块为a s i c 模块。最后需要把m e d i a s o c 中的各个硬件子模块整合起来，完成整个系统的硬 件设计。 4 ：软件设计 在硬件设计的同时根据软硬件划分的结果进行软件设计。多媒体系统集成芯片 m e d i a s o c 的软件设计除了包括编译器、汇编器、指令集仿真器等集成开发环境的设计，还 包括音视频解码、图像解码程序软件的设计，如m p e g i 解码程序、j p e g 2 0 0 0 解码程序等。 编写软件程序时，首先需要确定软件所需要实现的功能，接着用高级语言描述出软件功能， 然后编泽成汇编语言，最后用汇编器得i 日程序的机器代码。软件程序首先需要经过指令级仿 真器的严格验证，以得到其正确的参考结果。同时，软件程序在指令级仿真器仿真的结果， 也可以作为软硬件划分的评估依据，以进一步优化多媒体系统的软硬件划分。 第1 4 页 浙江大学硕上学位论文 5 ：系统整合 分别完成软件设计和硬件设计后，需要把软件和硬件整合成一个完整的系统，通过系统 调试和验证，判断软硬件设计是否满足设计的要求，并进一步优化软硬件划分。在m e d i a s o c 的系统整合过程中，采用了动态仿真整合和f p g a 整合这两种方式。音视频解码程序分别 在r t l 软件仿真器上和f p g a 上运行，然后把运行结果同指令级仿真器的参考结果作比对， 判断硬件设计的功能是否正确，同时也验证了指令级仿真器的正确性。通过m e d i a s o c 的软 硬件系统整合，完成整个系统的构建。 6 ：综合 综合的目的在于把r t l 的源代码转化成与一定目标工艺库相对应的逻辑网表，从这一 步开始，芯片的实现过程与芯片的制造工艺密切相关。传统的综合采用逻辑综合的方式，它 采用基于统计的线负载模型来估计时序延迟，随着芯片制造工艺的不断缩小，线负载模型的 不精确性越来越严重。m e d i a s o c 的综合则采用了逻辑综合和物理综合相结合的设计流程， 通过逻辑综合得到设计的门级网表，然后在物理综合中把逻辑单元的布局同综合优化结合起 来，依据相对精确的时序延迟估计完成设计的进一步优化。通过物理综合，使得m e d i a s o c 的时序收敛问题在综合阶段就能够得到很好的解决，物理综合后的时序同布线后设计的时序 相差无几。在m e d i a s o c 的逻辑综合中，采用了基于时间预算的自底向上的综合策略，有利 于每个子模块的优化，而且一旦子模块的r t l 源代码发生变化，只需要对该模块重新综合， 减小了全部逻辑综合的时间：而在物理综合中，采用了扁平化的综合方式，也有利于物理综 合t 具对芯片全局的优化。 7 ：物理实现 芯片的物理实现也就是版图设计，包括布局规划、标准单元布局、时钟树综台、布线、 r c 提取，d r c l v s 检查等等步骤。随着芯片制造工艺的缩小以及设计复杂度的提高，芯片 的物理实现需要考虑越来越多的因素，包括时序问题、信号完整性问题、多时钟域问题，甚 至需要考虑芯片的可制造性等等问题。在m e d i a s o c 的物理设计过程中，为了减小设计的反 复，一方面同综合紧密结合，及时反馈设计的物理信息到综合中去；另一方面，在物理设计 的前期通过构造物理原型，从而迅速验证设计的物理可实现性，并且评估设计的实现方案， 改善项目实现计划的方法。 8 ：流片、封装和测试 芯片完成物理设计，并经过详细验证后，就可以进行流片生产了。流片完成后，还需要 剥芯片进行封装和测试。为了对芯片进行测试，必须在设计的过程中就考虑可测试性设计。 通过在芯片中添加扫描单元和测试接入口，可以对芯片进行标准的i e e e1 1 4 9l 协议 2 9 的 j t a g 扫描测试。 第1 5 丽 浙江大学硕士学位论文 1 . 3多媒体系统集成芯片在实现与验证中碰到的挑战 消费类电子产品的巨大需求市场不断推动着媒体处理芯片的飞速发展， 媒体处理芯片得 到了长足的发展， 人们对媒体处理芯片要求也越来越高， 使得媒体处理芯片的功能越来越强 大，性能不断提高，而且要求上市时间 ( t i m e t o ma r k e t ) 越来越短。同时， 现代媒体处理 芯片大都采用深亚微米超大规模集成电路实现， 特征工艺尺寸的减小使得芯片的物理实现愈 加困 难。 以 上多种原因导致多媒体系统芯片的行为级设计和功能实现难度加大， 也使得芯片 从逻辑设计到物理设计的实现和验证更加困难，突出的表现在以下几点。 1 : 系统集成芯片结构复杂， 多处理器结构、 多线程结构的 系统集成芯片小断涌现 3 0 , 多媒体系统集成芯片m e d i a s o c就采用了双核的结构。同时， 为了多媒体应用的需要， 芯片 的性能要求不断提高， 所具各的功能也越来越复杂， 这就给芯片的综合和物理实现带来了挑 战。芯片设计人员需要对设计有着深刻的了解，才 一 有可能制定出合适的约束条件进行综合， 并且在充分理解芯片内部结构的前提下完成芯片的物理实现。 传统的把逻辑实现与物理实现 分割开来， 物理设计人员对前端设计毫无知情的设计方法已 经不能适应现代芯片的实现 2 :特征工艺尺寸的不断减小，使得高层次结构设计与最后的版图设计之问的鸿沟小断 加深，必须在设计的早期就考虑物理实现对设计的影响。在芯片设计中为了实现设计目 标， 往往需要在前后端之问做多次的反复设计， 不但影响了设计的周期， 更为严重的是有可能造 成设计的不收敛， 无法实现芯片的正常功能。 所以 在深亚微米芯片设计中， 需要有新的设计 方法，使得前端能够同后端的版图设计紧密结合起来，减少设计的迭代，保证设计的质量。 3 :由于制造工艺越来越复杂，在物理设计阶段需要考虑更多的因素。功耗问题在深亚 微 米系统芯 片中 备受 关注【 3 0 。 一 方面 半导 体特征 尺寸的 不断 减小使 得静 态功耗在总 功 耗中 所占的比 重不断增大， 另一方面， 多处理器系统芯片中， 如何规划功耗预算， 从而以最小的 功耗代价获得最大的性能比也是我们需要考虑的问 题。 此外， 时钟树的设计、 信号完整性问 题、 时序问 题、 可制造性问 题、 封装、 散热， 等等， 越来越多的因素在深亚微米物理设计中 需要考虑。 4 : 验证在系统集成芯片设计中 所占 的比 重越来越大。设计中的每一步都离不开验证， 没有验证的充分保证就不可能 有成功的 产品。 如何快速充分地对结构、 功能、 工艺复杂的设 计进行验证，已经成为现代芯片设计中研究的热点。 5 : 电 子设计自 动化工具( e d a ) 对设计的支持也必不可少， 新的e d a 工具将围 绕深亚微 米工艺特点展开， 试图在行为级对系统进行描述、 模拟和综合， 将前端设计和后端设计以及 测试融为一体，出现子懂 制造、 懂工艺的新工具。 然而， e d a工具并不能解决所有的问题， 芯片设计人员必须对芯片的结构、 对深亚微米芯片物理实现的特点有着充分理解的前提下才 有可能利用好先进的e d a工具。 第 1 6页 浙江大学硕十学位论文 1 .4本文的主要研究工作和内容安排 木文的 主要研究工作都围 绕多媒体系统集成芯片m e d i a s o c的设计 和验证展开的， t 作 的重点放在综合、物理实现和验证上，相关的研究成果已经通过一次性流片成功，在 m e d i a s o c硅片上得到了实践验证。 本文的各章内容内 容是这样安排的: 第二章探讨了多媒体系统集成芯片m e d i a s o c的综合技术。一方面针对m e d i a s o c的结 构特点， 讨论了m e d i a s o c有利于综合的结构设计， 重点是顶层与核心模块的结构划分。 另 一方面， 通过分析传统的逻辑综合在现代芯片设计中的局限性， 引出了 物理综合的概念， 并 详细探讨物理综合的工作原理及其在综合中的作用。m e d i a s o c采用了基于物理综合的综合 流程， 把逻辑综合与物理综合紧密结合起来， 在不同的综合阶段采用了 不同的综合策略。 此 外，m e d i a s o c在综合的同时充分考虑物理设计的影响，并且针对高扇出线与设计面积作了 特别的考虑。 第三章针刘m e d i a s o c在深亚微米芯片设计的物理实现中所遇到的挑战， 提出了相应的 解决方案。为了 避免在物理设计的 后期才发现问 题，导 致大的 反复， m e d i a s o c在物理设计 - 的前期首先构造物理原型， 把物理可实现性的验证过程压缩到几个小时以内， 从而快速验证 设计的物理可实现性， 并且评估设计折衷方案并改善项目 实现的方法。 此外， 本章还重点讨 论了me d i a s o c物理实现中的几个关键点: 包括物理模块的规划、电 源网络设计、时钟网络 设 计以 及时 序问 题。 以 上几个问 题的 成功解决， 确保了m e d i a s o c 物理实现的顺利完成。 本 章的最后是芯片的 物理性能指标以 及实测结果， 结果表明m e d i a s o c能够成功地应用于多媒 体音视频应用系统中去. 第四章重点探讨了多媒体系统集成芯片m e d i a s o c的软件验证技术。在m e d i a s o c的设 计和实现的过程中， 验证始终贯穿其中， 没有详细验证的 保证， 就不可能有正确的设计 结果。 本章首 先介绍了多媒体系统集成芯片m e d i a s o c的 软硬件验证平台， 然后把验证的研究重点 放在软件验证平台上， 包括动态仿真验证和静态验证。 在动态验证过程中， 采用了 单元模块 验证和系统级验证的 层次化验证策略。 在静态验证过程中， 提出了 渐进式验证、 层次化验证 和扁平化验证相结合、静态验证与