（微电子学与固体电子学专业论文）8位cpu软核设计与应用研究.pdf

中文摘要 摘要：随着集成电路制造工艺的发展，芯片设计已进入s o c 阶段，即可以把一个 完整的应用系统集成到单个芯片中，使得设计复杂性大为提高，由此也产生了新 的设计方法学。s o c 设计涉及多方面的学科领域，如计算机体系结构、嵌入式软 件、口设计复用等。由于s o c 设计是基于i p 复用的设计，m 核的设计和使用方法 显得尤为重要，设计时要着重考虑p 的可复用性和设计标准化。 8 位单片机具有简单、高效、可靠等特点，因此自诞生以来，就一直在工控、 通信等领域被广泛使用。单片机的结构、速度、功耗等在2 0 多年间也有了较大的 改进，指令集也有了很大的发展，出现了基于r i s c 指令集的单片机，简化了内部 硬件指令译码的过程。以8 位单片机为原型的8 位c p ui p 核也在s o c 中有着广泛 的应用前景，对于简单或不需进行复杂运算的s o c ，8 位c p u 的i p 核可以作为主 运算和控制单元，完成数据的传输和运算；而对于复杂的s o c ，8 位c p u 的i p 核 可作为数据传输、模块通信控制等应用。 本文选择以8 位c p u 软核的设计和应用为对象，研究了m 核设计以及s o c 设计的基本理论与方法。论文的研究是基于项目8 0 c 5 1 软核的设计与应用研究， 该软核与m c s 5 1 指令集兼容。项目进程中对该软核进行了改进和完善的验证。 类似于单片机最小系统，作为软核的应用建立了片上心率系统，系统的开发涉及 软件、硬件和验证等多个方面，具备了s o c 开发的基本特点。该片上系统已经过 f p g a 平台验证并采用i b m0 1 8 u m 工艺流片。 本文首先介绍了s o c 中的架构设计，概述了s o c 中的软硬件结构，包括处理 器、片上总线等等。然后结合a s i c 设计方法对r t l 设计、逻辑综合方法进行了 较为深入的研究，同时对c p u 的设计方法进行了一定的研究。最后通过研究生阶 段的项目8 0 c 5 1 软核的设计及应用说明了i c 设计的流程及8 位c p u 软核的设计 与应用。 本论文的主要研究结果为： 1 、深入研究了当前i c 前端设计的方法，包括r t l 设计、逻辑综合和验证等。 2 、研究了8 位c p u 软核的设计方法。 3 、详细研究了8 0 c 5 1 软核设计改进方法和验证方法 4 、详细研究了片上心率系统的设计和验证方法。 关键词：s o c ：i p ；r t l 设计；逻辑综合；8 位c p u ；8 0 c 5 1 分类号：t n 4 0 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ed e v e l o p m e n to f l cm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , i cd e s i g nh a ss t e p p e d i ns o cp e r i o d s o cc a ni n t e r g r a t eo n aw h o l es y s t e m ，i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， i n t oas i n g l ec h i p ，s od e s i g nc o m p l e x i t yi si n c r e a s e da n dn e wd e s i g nm e t h o d o l o g i e sa r e d e v e l o p e d s o cd e s i g nr e l a t e st om a n ys u b j e c t ss u c ha sc o m p u t e rs y s t e ms t r u c t u r e , e m b e d d e ds y s t e m ，i pd e s i g na n dr e u s ea n ds oo n i pd e s i g na n dr e u s em e t h o d o l o g i e sa r e v e r yi m p o r t a n tb e c a u s es o cd e s i g n i sb a s e do ni p 8 b i ts c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) i sw i l d l y u s e di ni n d u s t r yc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o nf i e l d sb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ff l e x i t y , c r e d i b i l i t y , s i m p l i c i t ya n d s 0o n s t r u c t u r e s ，s p e e d ，p o w e ra n di n s t r u c t i o n so fs c ma r ea l s oi m p r o v e dd u r i n gt h e 2 0y e a rd e v e l o p m e n t ，s u c ha su s i n gr i s ci n s t r u c t i o n s 8 - b i tc p u i pb a s e do n8 - b i t s c ms t r u c t u r ei sa l s ob e i n gm o r ea n dm o r ew i l d l yu s e di ss o cd e s i g n 8b i tc p u i pc a n b eu s e da sm a i no p e r a t i o na n dc o n t r o lu n i ti ns o c sw h i c hh a v es i m p l es t r u c t u r eo rl e s s p r o c e s s i n gf u n c t i o n ，a n da sd a t at r a n s m i s s i o n a n dc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lu n i t i n c o m p l e xs o c d e s i g na n da p p l i c a t i o no f8 b i tc p u s o f t i pa r es e l e c t e da sr e s e a r c ho b j e c t sa n di p d e s i g nm e t h o d o l g i e sa n ds o cd e s i g nt h e o r i e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c h i s b a s e do np r o j e c to f8 0 c 51s o f t i pd e s i g na n da p p l i c a t i o n i nt h i sp r o j e c t ，8 0 c 5 1s o f t 1 p i si m p r o v e da n dv e r i f i e d ，a n ds i m i l a rt os c ma p p l i c a t i o n s ，h e a r t r a t e - d e c t e c ts o c i s d e s i g n e da sa ni pa p p l i c a t i o n m a n yi ca n ds o f t w a r ed e s i g na s p e c t sa r ei n v o l v e da n d s o m es o cd e s i g nm e t h o d o l g e sa r eu s e di nt h ed e s i g np r o c e s s t h ed e s i g nh a sb e e n v e r i f i e do nf p g ap l a t f o r ma n dt a p e do u tu s i n gi b m 0 18 u mt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , s o ca r c h i t e c t u r ed e s i g ni sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，s o m eb a s i cc o n c e p t sa l l d m e t h o d s s u c ha sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，p r o c e s s o rc o r e s ，b u s 。o n - c h i p ，a r e r e f e r r e d s e c o n d l y , b a s e do na s i cd e s i g n ，r t ld e s i g na n dl o g i cs y n t h e s i sm e t h o d s a r e s t l l d i e d a tt h es a m et i m e ，c p ud e s i g nm e t h o d sa r ea l s os t u d i e da n dp r e s e n t e d a tl a s t ，a g r a d u a t ep r o j e c t ，8 0 c 5 1i pc o r er e d e s i g na n da p p l i c a t i o n ，i sp r e s e n t e da n da n a l y z e dt o s h o wt h ei cd e s i g nf l o wa n d8 - b i tc p u i pd e s i g na n dr e u s e t h em a i nr e s u l t so fp a p e ra r el i s tb e l o w ： 1 i cf r o n td e s i g nf l o w , i n c l u d i n gr t ld e s i g n ，l o g i cs y n t h e s i sa n dd e s i g nv e r i f i c a t i o n a n ds oo n ，i ss t u d i e d 2 8 b i tc p ui pd e s i g nm e t h o d sa r es t u d i e d 3 8 0 c 51i pc o r er e d e s i g na n dv e r i f i c a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e di nd e t a i l 4 h e a r t - r a t e d e t e c ts o cd e s i g na n dv e r i f i c a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e da n dp r e s e n t e d k e y w o r d s ：s o c ；i p ；r t ld e s i g n ；l o g i cs y n t h e s i s ；8 - b i tc p u ；8 0 5 1 c l a s s n o ：t n 4 0 2 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 专j 签字日期：弘d 毛年f 月( 口同 新签名磊吹 签字同期：州年月扣1 7 t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 巷j 签字日期：训矿年f 月i 口日 致谢 本论文的工作是在我的导师李哲英教授的悉心指导下完成的，李哲英教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢几年来 李哲英老师对我的关心和指导。 感谢我的父母，他们总是对我充满自信，永远支持我的学习和生活，督促着 我不断进步。 感谢蒋吴、郝乐、修丽梅、徐音等同学，他们两年来对我的学习和生活给予 了热情帮助，也共同努力营造了一个很好的研究氛围。 1 1s o c 的特点 1 引言 自2 0 世纪6 0 年代以来，集成电路产业的发展规律一直遵循着摩尔定律，即 集成电路的集成度每1 8 个月翻一番，特征尺寸每3 年缩小1 2 。随着集成电路设 计和制造技术的发展，芯片设计已进入s o c 阶段，即在一个芯片上实现一个系统 的集成。现在的s o c 可以在一个芯片上整体实现c p u 、d s p 、数字电路、模拟电 路、存储器及片上可编程逻辑等多种电路，综合实现图像处理、语音处理、通信 协议、数据处理等功能。 s o c 将整个系统集成在一个芯片上，使得产品的性能大为提高、，体积显著缩 小。此外，s o c 使用与更复杂的系统，具有更低的设计成和更高的可靠性，因此 具有广阔的前景。与传统设计相比较，s o c 主要具有以下优势。 l 、s o c 可以实现更为复杂的系统 当前的s o c 已经可以把功能逻辑、s r a m 、f l a s h 、e d r a m 、c m o sr f 、f p g a 、 f r a m 、m e m s 等集成到一个芯片上，并且以后电子生物芯片也会集成到s o c 中。 各类不同技术的模块集成使s o c 可以完成更为复杂的系统功能。 2 、s o c 具有较低的设计成本 s o c 采用基于i p 的设计方法，大大降低了设计成本。另外，随着一些高密度 可编程逻辑器件( h d p l d ) 的应用，设计人员能够在不改变硬件结构的前提下修 改、完善甚至重新设计系统的硬件功能，从而为s o c 的实现提供一种简单易行而 又成本低廉的手段。 3 、s o c 具有更高的可靠性 s o c 技术的应用是面向特定用户的需要，能最大限度的满足复杂功能要求的芯 片，因而能极大减少印制电路板上的部件数和引脚数，减少电路板失效的可能性。 4 、缩短产品设计时间 基于i p 复用( r e u s e ) 的s o c 设计思路，可以将某些功能模块化，在需要时取 出元设计重复使用，从而大大缩短设计时间。 5 、减少产品反复的次数 由于s o c 设计面向整个系统，设计中也包含大量与硬件设计相关的软件。在 设计之前，会对整个系统所实现的功能进行全面分析，以便产生一个最佳的软硬 件解决方案，以满足系统的速度、面积、存储容量、功耗、实时性等一系列指标， 从而降低设计的返工次数。 6 、可以满足更小尺寸的设计要求 很多便携设备要求有较小的体积，s o c 的设计方法可以通过优化的逻辑设计和 合理的布局布线，有效地提高晶圆( w a f e r ) 的使用效率，从而减小整个产品的尺 寸。 7 、可达到低功耗的设计要求 s o c 设计方法中，有多种降低芯片功耗的途径，如工艺优化、门控时钟等，而 且随着s o c 的发展，也会有更多的低功耗设计方法和理论出现。 1 28 位c p u 的s o c 应用 8 位单片机如i n t e l8 0 5 1 、p i c 单片机8 位c p u 的应用领域在工业控制、通信 传输控制等许多领域都有广泛的应用。随着制造工艺的发展，当前新型的单片机 集成了更为丰富的外设，而且速度也大为提高。如c 8 0 5 1 系列单片机，不仅保持 了与原有的m c s 5 1 指令的兼容性，速度也大为提高，并且内部集成了s p i 接口、 1 2 c 接口、a d c 、d a c 等外设单元，使其应用更为广泛。 8 位c p u 的i p 核可以给s o c 设计带来更大的灵活性。8 位c p u 的i p 核结构 简单，功耗低，且根据软件控制，灵活性强。对于简单或不需进行复杂运算的s o c ， 8 位c p u 的i p 核可以作为主运算和控制单元，完成数据的传输和运算；而对于复 杂的s o c ，8 位c p u 的i p 核可作为数据传输、模块通信控制等应用。 1 3本论文的主要内容 第二章介绍了s o c 架构设计的基本方法，包括软硬件划分与设计，此外本章 还论述了m 软核设计的基本方法。 第三章论述了微处理器的r t l 级设计方法。本章首先对一般的r t l 设计方法 进行了详细描述，包括模块划分原则、编码规则、设计技巧等；然后介绍了微处 理器的r t l 设计方法，包括指令集的概念，数据通路和控制通路的划分与设计等。 第四章论述逻辑综合这一数字i c 设计的重要步骤，介绍了逻辑综合的流程、 各种综合优化的技巧及综合后的结果分析。 第五章论述了8 0 c 5 1 软核的设计与应用。首先介绍了8 0 c 5 1 软核的结构特点、 进行的改进以及验证方法；然后介绍了基于8 0 c 5 1 软核的片上心率系统的设计和 验证。 2 2s o c 架构设计与i p 复用 s o c 架构设计者首先要对当前s o c 设计中常用的处理器和片上总线有很好的 了解，同时也要了解常用的嵌入式软件的工作原理，然后根据系统的需要选择合 适的软硬件结构。i p 设计与复用是a s i c 设计的延伸，设计中不仅要考虑p 的可 实现性，也要考虑i p 接口的可复用性、标准化等因素。【1 】 2 1s o c 架构设计 一个完整的s o c 设计应该包括架构设计、软件结构设计和硬件结构设计。架 构设计主要是指将高层次产品需求精化为对硬件和软件的详细技术需求、做一个 整体规划的过程。 架构设计的关键是将设计划分为一系列硬件模块和软件任务，包括模块之间的 接口规范。架构设计设计的最初阶段需要确定芯片上使用的处理器、总线及存储 器。架构设计是s o c 中至关重要的一步。 2 1 1s o c 的硬件结构 2 1 1 1 处理器的选择 处理器选择的关键因素是要实现的目标应用，包括目标应用的类型和目标应 用的运算、控制等需求。在选择处理器时需要决定的关键因素是处理器的类型和 数量。 首先，对于目标应用的计算能力要有一个量的估计或者计算。一般说来计算的 任务以m i p s 为单位来描述，即每秒百万指令数。在s o c 设计的开始，计算所有 任务的每秒的指令需求总和，若处理器性能不满足，可选择更高性能的处理器或 增加处理器数量。 其次，根据应用类型选择合适的处理器。通用处理器在处理用户界面和控制失 误方面有一定优势，能处理频繁的用户中断操作，而d s p 适合预算密集的任务运 算密集的任务如数字信号处理、音视频编解码等。因此在应用中两种处理器混合 使用比较常见。 总之，在s o c 设计中，处理器的类型和数量的选择有目标的应用任务决定， 用户需要根据实际应用选用合适的处理器类型，实现优化的方案。 2 1 1 2 片上总线的选择 随着s o c 的发展，解决众多p 核互连的关键问题是需要一个快速的连接方案， i p 核互连一般采用总线的方式，其好处是： ( 1 ) 提供灵活的集成方案； ( 2 ) 提供不同的总线周期和数据通道宽度； ( 3 ) 允许在系统设计是选择不同的i p 核提供者，以降低成本，提高性能的可靠 性。 而传统的板级总线( 如i s a 、p c i 、v m e 总线) 不适合作为片上总线，原因是： ( 1 ) 板级总线连线长且有高的电阻和电感，板级总线必须驱动电感和电容负载很 大的底板信号插槽，片上总线应该简单和更快； ( 2 ) 片上系统的连接方式很多，而板级的连接受限于连接器和i c 的封装，在总 线宽度和信号线数量上有很大限制； ( 3 ) 板级的信号线多采用三态信号，而集成电路综合工具却难以处理多个驱动器 或接受器共享三态信号。 s o c 片上总线是各种信号线的集合，是处理器各部件之间传递数据、地址和控 制信息的公共通道，包含地址总线、数据总线和控制总线三个部分，其效率直接 影响到整个芯片的功能。片上总线除了必须具有正确、高效和灵活的特点外，还 必须具有可复用性。这样，就可以实现i p 芯核的可移植性和i p 设计的可复用性， 就可以充分地利用公共外设核处理器，就可以提高从公共设计平台创建产品的定 制化能力。 片上总线和一般的通信机制一样，需要分层描述，目前没有标准的分层结构， 表2 一l 表示了一种划分。【2 】 表2 1 片上互连结构的层次 t a b l e2 - 1l e v e lo fb u s - o n c h i ps t r u c t u r e 层次名字 定义 4 应用层处理多个组件问的通信，包含对内存映射和控制信息的规范 3 交互层建立点对点传送 2总线传输层在不同组件问传送数据，定义通信网络的逻辑功能 1物理层处理物理连线、驱动器以及和工艺相关的时序定义 目前流行的片上总线标准有a r m 公司的a m b a 总线、i b m 公司的 c o r e c o n n e c t 总线、s i l i c o r ec o r p 的w i s h b o n e 总线和o c p ( o p e n c o r ep r o t o c 0 1 ) 总线。 l 、a m b a 总线 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线规范是a r m 公司设计 4 的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准。它独立于处理器和制造工艺技术，增 强了各种应用中的外设和系统单元的可重用性。 a m b a 总线是一个多总线系统，a m b a 2 0 规范中定义了三种可以组合使用的 不同类型的总线：a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e m b u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r p h e r a lb u s ) 。该规范引入的高性能总线a h b 是现阶段 a m b a 实现的主要形式。 a m a b 2 0 规范中的a h b 总线适用于连接高性能和高时钟频率的系统模块。它 主要用于连接高性能和高吞吐量的设备，如c p u 、片上存储器、d m a 设备和协处 理器等。作为高性能系统的骨干总线，a h b 可以对接口和互连均进行定义，并可 以在任何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。 a m a b 2 0 规范中的a s b 总线适用于连接高性能的系统模块。它的读写数据 总线采用的是同一条双向数据总线，可以在某些高速且不必要使用a h b 总线的场 合作为系统总线，可以支持处理器、片上存储器和片外处理器接口及与低功耗外 部宏单元之间的连接。 a m a b 2 0 规范中的a p b 总线适用于连接低功耗的外部设备模块。它是一个经 过优化的可以减少系统功耗和降低外设接口设计复杂度的外设总线，a p b 总线可 连接在a h b 和a p b 系统总线上。 a m a b 2 0 总线性能描述如表2 2 ，典型的a m a b 2 0 总线结构如图2 1 。 表2 2a m a b 2 0 总线性能描述 t a b l e2 - 2d e s c r i p t i o no f a m a b 2 0b u sp e r f o r m a n c e 总线名称 a m a b 2 oa h ba m a b 2 0a s b a m a b 2 oa p b 数据线宽度3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 63 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 68 、1 6 、3 2 地址线宽度 3 2 ( 地址流水，减少延迟)3 23 2 多主从设备主从设备 单主设备( 桥) 多 体系结构 从设备 仲裁机制仲裁机制 无仲裁 单一的读写传输单一的读写传输 次读写占两个 支持流水分裂传输支持流水突发传 数据线协议时钟周期 支持突发传输输 不支持突发传输 字节 、羊字 字字节半字字 时序同步 同步 同步 互接 多路无定义无定义 支持互接不支持三态总线支持三态总线不支持三态总线 高带宽外部 存储器接口 鼍或芹r a m 桥 接 器 id 嘴釜土i一型倒 i 控制器i 一一 图2 1a m a b 2 0 总线系统结构 f i g 2 - 1a m a b 2 0b u ss y s t e m c t u i 虽然a h b 总线在理论上可以让用户不断地增加总线位宽从而达到更高带宽， 但在节省功耗的前提下，用户希望通过极窄的总线宽度、极低的总线频率来实现 更高的数据吞吐量，顺应这种趋势，a r m 在2 0 0 4 年推出了a m b a 3 0 a x i 协议。 a x i 不仅继承了a h b 便于集成、便于实现和扩展的优点，还拥有乱序发射、乱序 返回数据等重大改进，使总线带宽得到最大程度的充分利用，可以满足高性能系 统的大量数据存取需求。 典型的a m b a 3 0 总线结构如图2 2 。【3 】 图2 - 2 典型的a m b a 3 0 总线系统结构 f i g 2 - 2a m a b 3 0b u ss y s t e ms t r u c t u r e 2 、c o r e c o n n e c t 总线 c o r e c o n n e c t 总线规范是i b m 公司设计的一种s o c 总线协议，它能够使处理器、 内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活，从而提高 6 整个系统性能。 c o r e c o n n e c t 总线采用了总线分段的方式，共提供了三种基本类型总线：处理 器局部总线p l b ( p r o e e s s o rl o c a lb u s ) 、片内外设总线o p b ( o n c h i pp e r i p h e r a lb u s ) 和器件控制寄存器总线d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e g i s t e r ) 。c o r e c o n n e c t 还提供连接高 性能总线和低性能总线的o p b 桥。 p l b 总线是一种高带宽、低延迟、高性能的处理器内部总线。高速的c p u 核、 高速存储器控制器、仲裁器、高速的d m a 控制器等高性能、宽带宽的设备都连接 在p l b 上。 o p b 总线用于连接具有不同的总线宽度及时序要求的外设和内存，以使这些 外设和内存能够尽量减少对p l b 性能的影响。通常，一些低性能的设备都连接在 o p b 总线上。在p l b 和o p b 之间有一个o p b 桥，用来实现p l b 主设备与o p b 从设备之间的数据传输。 d c r 总线主要用来配置p l b 和o p b 主从设备中的状态寄存器和控制寄存器， 该总线可以使p l b 从低性能状态中减小负荷，更有效的控制读写传输。d c r 总线 取消了内存地址映射配置寄存器，可以减少读取操作，增加处理器内部总线带宽。 c o r e c o n n e c t 总线性能描述如表2 3 ，典型的总线结构应用如图2 3 。【4 】 表2 3c o r e c o n n e c t 总线性能描述 t a b l e2 - 3d e s c r i p t i o no fc o r e c o n n e c tb u sp e r f o r m a n c e c o r e c o n n e c tc o r e c o n n e c t c o r e c o n n e c 总线名称 p l bo p bd c r 数据线宽度 3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 68 、1 6 、3 23 2 地址线宽度3 2 ( 地址流水，减少延迟) 3 21 0 主设备( 最多8 个)多主从设备 体系结构, k 设备仲裁机制 仲裁机制动态控制总线大小 单一的读写传输 支持流水分裂传输 单一的读写传输 数据线协议支持突发传输 支持突发传输 字节半字字 字节半字字 特殊的d m a 方式 支持重试操作 时序同步同步 互接多路多路多路 不支持三态总线支持三态总线 支持互接 总线独立的读写数据线总线独立的读写数据线 7 图2 3 典型的c o r e c o n n e c t 总线系统结构 f i g 2 - 3c o r e c o n n e c tb u ss y s t e ms t r u c t u r e c o r e c o n n e c t 总线是一套精心设计和构造完整、通用的解决方案，拥有一整套 完备的技术文档，在技术上可行性较强，应用在类似于工作站这样的高性能系统 和基于p o w c r p c 等复杂s o c 芯片中的连接比较合适，对于简单的嵌入式系统可能 过于复杂，提供的许多特性无法用到。 3 、w i s h b o n e 总线 w i s h b o n e 总线规范最先是由s i l i c o r e 公司提出，现在已被移交给o p e n c o r e s 组 织维护。由于其具有丌放性的特点，目前已经有不少的用户群体。总线规范的目 的是作为一种i p 核之间的通用接口，因此它定义了一套标准的信号和总线周期， 用以连接不同的模块。 w i s h b o n e 总线结构十分简单，它仅仅定义了一条高速总线。在一个复杂的系 统中，可以采用两条w i s h b o n e 总线的多级总线结构，其中一条用于高性能的系统 部分，一条用于低速的外设部分，两者之间添加一个接口，该接口实现较简单 灵活性是w i s h b o n e 总线的另一优点。核的灵活性，使得其间的连接没有统 一的方式。为了满足不同系统的需要，w i s h b o n e 总线提供了四种不同的i p 互连方 式。【5 】 ( 1 ) 点到点( p o i n t t o - p o i n t ) ，用于两个核的直接互连 ( 2 ) 数据流( d a t a f l o w ) ，用于多个串行口核之间的数据并发传输 ( 3 ) 共享总线( s h a r e d b u s ) ，用于多个口共享一条总线 ( 4 ) 交叉开关( c r o s s b a r s w i t c h ) ，同时连接多个主从部件，提高吞吐量 此外还提供一种片外连接方式，可以连接到以上任何一种互连网络中。如可以 将两个有w i s h b o n e 接口的不同芯片之间用点到点的方式进行连接。 典型的w i s h b o n e 总线的结构如图2 4 所示。 图2 4 典型的w i s h b o n e 总线系统结构 f i g 2 = 4w i s h b o n eb u ss y s t e ms t r u c t u r e 由于w i s h b o n e 总线的简单性和可移植性，它的应用领域非常广泛。它可以应 用于简单的嵌入式控制器中和一些高速系统中。但是在高性能的系统中，它往往 不能准确地从多个执行程序中终止相应的单个执行程序。 4 、o c p 总线 o c p ( o p e n c o r e p r o t o c 0 1 ) 总线规范是o c p i p ( 开放式内核协议国际同盟) 设计的 一个规范，是为了在s o c 设计中实现i p 核的即插即用而制定的片上总线规范，是 一种不依赖于特定处理器内核的总线协议。只要i p 核和总线符合o c p 标准，即使 更换处理器的内核和总线，也不需要重新设计i p 核，因此，该标准具有灵活的应 用性。 o c p 标准是目前唯一公开许可、并给出i p 核系统级综合要求的协议，它在片 上系统通信上定义了一个高效的、总线独立的，可配置和高度可扩展的接口。o c p 协议以i p 核为中心，克服了反复定义、校验、证明和兼容接口的复杂性。 i p 核的性质决定了其是作为o c p 总线的主设备还是从设备，或者两者都是。 总线封装接口模块作为o c p 的补充。在系统的数据传输过程中，系统的发起者 ( o c p 的主设备) 输出命令和数据到总线封装模块。o c p 并不规定总线的功能。总 线封装接口模块需要将o c p 请求转换为总线传输。o c p 主设备负责将总线传输转 换成合法的o c p 命令，o c p 从设备接受主设备发出的命令，并作出回应。在此过 程中，o c p 并没有实现嵌入式总线的功能，o c p 的请求是通过嵌入式总线操作 完成的。 o c p 协议可以提供极高性能的多线程，同步初始和单请求多数据事务。数 据传输模型范围可以从简单通过通道请求相应的请求握手到复杂的乱序操作。 典型的o c p 总线的结构如图2 5 所示。 9 总线封 接口模 图2 5 典型的o c p 总线系统结构 f i g 2 - 5o c pb u ss y s t e ms t r u c t u r e 5 、4 种s o c 总线的分析与比较 c o r e c o n n e c t 、a m b a 、o c p 、w i s h b o n e 四种总线都是完全同步的设计，均是 在时钟的上升沿来驱动和采样信号的。它们最大的区别在于各自提供的特性和规 范的完整性不同。 在复杂程度上，c o r e c o n n e c t 、a m b a 、o c p 、w i s h b o n e 总线结构依次从重到 轻，分成三个等级：c o r e c o n n e e t 是重度设计，适合复杂和高端的应用，需要遵守 严格的操作协议；a m b a 是中度设计，适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操 作协议；w i s h b o n e 是轻度设计，适合较简单、灵活、可增加自己定义部分的应用； 而o c p 是i p 核互连的接口协议，并且可以嵌入在c o r e c o n n e c t 和a m b a 中使 用，可以应用于中度和轻度设计。 c o r e c o n n e c t 虽然被适用范围所限制，但由于i b m 本身技术上的优势和巨大的 影响力，其仍可以在业界长期存在。a m b a 总线规范却拥有众多第三方支持，它 被a r m 公司9 0 以上的合作伙伴采用，并且目前在基于a r m 处理器内核的s o c 设计中，a m b a 已经成为具有较高支持度的现有的互连标准之一，其必将在大多 数应用领域中被更多的设计者采用。由于o p e n c o r e s 组织的大力支持，w i s h b o n e 总线将在比较长的时间内，在自由设计者和中小型e d a 企业中占据主导地位。鉴 于本身的灵活性，o c p 协议在自由设计者和中小型e d a 企业中将有很广阔的前 景。 1 0 4 种总线的具体比较如表2 4 。 表2 44 种s o c 总线的比较 t a b l e2 - 4c o m p a r i s o no f 4s o cb u ss t r u c t u r e s 总线名称 c o r e c o n n e c ta m b a o c pw i s h b o n e 交义开关共享总 互连方式共享总线共享总线点对点 线数据流点对点 数据线宽度 3 2 2 5 63 2 2 5 6 用户可配置8 6 4 地址线宽度 3 2 3 2 8 6 4 数据传输方式字节半字字字。节 半字| 字字节 半字 字字。吊f 半字f 字 流水分裂流水分黜流水分黜单字节埘 事务传输方式 突发传输突发传输突发传输突发传输 硬件技术硬件技术硬件技术 完全独立于系统设 独立性i p 核类型i p 核类型p 核类型 综合t 具无关综合t 具无关 计i p 核类型无关 综合 ：具无关 仲裁机制系统定义系统定义 无仲裁用户白定义 人端对齐 人端对齐大端对齐人端对齐 数据对齐方式 小端对齐小端对齐小端对齐小端对齐 f p g a ，p l df p g a ，p l df p g a ，p l df p g a ，p l d 适用器件 a s i ca s i ca s i ca s i c 高性能嵌入式高性能嵌入式高性能嵌入式系统高性能嵌入式系统 应用范围 系统系统, 5 型嵌入式系统，j 、型嵌入式系统 完备的技术文a r m 合作伙伴 对i p 和没有要求，对p 和没有要求， 可用资源档，丰富的i p众多，提供丰富 提供丰富的i p 核提供丰富的i p 核 核资源的i p 核 价格需授权需授权完全免费完全免费 2 1 2s o c 中的软件结构 软件结构的设计对s o c 性能也有很大的影响，很多s o c 中，软件设计的复杂 度和开发周期都要超过整个硬件的设计，软件设计很大程度上决定了s o c 中硬件 电路性能的发挥。s o c 中软件的开发一般都采用嵌入式系统软件的开发流程。 很多嵌入式系统中，数据流在硬件和软件中的路径决定了系统的效率和性能。 数据流的路径通常是从数据位通过物理接口流入系统开始的，经硬件设备输入接 口流入硬件设备输入控制器。软件驱动程序将数据输入操作系统的数据结构，然 后再送入应用存储器空间中。应用程序之间通信通过共享的全局存储器交换数据， 或者通过操作系统一消息的形式传送数据。在输出端，应用程序通常通过操作系 统向设备驱动程序传送数据。经硬件设备输出接口传出。 s o c 中应用软件的运行环境主要由应用程序、操作系统核心、各种驱动和芯片 本身构成，如图2 6 所示。 i o 接口 应用程序l 应用程序 应用程序 标准接口 操作系统核心 i o 驱动i 硬件驱动 其它系统软件 b o o t l o a d e r s o c 芯片( c p u i o 存储器其它硬件)调试接口 图2 - 6s o c 中的应用软件运行环境 f i g 2 - 6a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ti ns o c 在应用软件运行环境的最上层是应用程序。应用程序实现了系统的各种特定应 用，如音频或视频解码等。应用程序之间可以通过某种标准接口进行通信，也可 以通过操作系统核心，以存储器共享的方式通信来提高速度。 应用程序的下一层是操作系统的核心，负责任务的创建、任务的调度和存储器 管理等。在操作系统的下一层由各种i o 接口( 如u s b 、i d e 、w l a n 、l c d 等) 驱动、硬件加速器驱动和其他实现如异常处理及初始化等的系统软件构成。 在芯片投片之前，需要一种s o c 模型用来开发和运行软件。以前的s o c 模型 通常是基于f p g a 的，随着电子系统级( e l e c t r o n i cs y s t e ml e v e l ) 设计的发展，虚拟 原型的仿真模型开始应用，可以更早的展开软件的开发。 2 1 3 电子系统级( e s l ) 设计 随着s o c 设计的发展，硬件设计规模越来越复杂，设计嵌入式软件和硬件架 构的相关工作量随着工艺的缩小而急剧增加，而硬件实现的工作量的增加相对有 限。嵌入式软件开发工作量的增加主要是由于能够实现消费品之间的兼容性和互 操作性的无线及多媒体标准越来越多。例如，j p e g 、m p e g 、3 g 、g s m e d g e 、 b l u e t o o t h 和i e e e8 0 2 1 l 等标准，都是现代电子产业获得商业成功所必需的。架构 开发工作量的增加主要是由于s o c 需要继承和优化越来越复杂的处理单元、存储 1 2 器及通信协议，因而在功能和架构级进行的架构探索来帮助设计师找到设计的平 衡点就变得更加重要了。 这就需要在设计的早期提供软、硬件协同的设计环境，以便更好的进行软硬件 划分和尽早地进行软件开发。这也是e s l 设计受到重视并开始成为主流的原因。 e s l 设计是指系统级的设计方法，是从算法建模演变而来的。e s l 设计以抽象 的方式来描述s o c 系统，给软硬件工程师提供一个虚拟的硬件原型平台，用以进 行硬件系统结构的探察和软件程序的开发。在e s l 设计中，系统的描述和仿真速 度快，使设计工程师有充裕的时间分析设计内容。当前大多数e s l 设计工具包含： 系统级设计、软硬件系统设计、体系结构定义、功能建模、协同验证等功能。 e s l 设计可以位于算法设计之后，通过搭建一个系统的虚拟原型来描述模块结 构、模块之间的通信和它们的基本行为。它具有以下特点。 ( 1 ) 更早的进行软件开发； ( 2 ) 更高层次上的硬件设计； ( 3 ) 设计的可配置性和自动生成； ( 4 ) 方便的架构设计； ( 5 ) 快速测试和验证。 e s l 设计的流程如图2 7 所示。 调整 整 图2 7e s l 设计流程 f i g 2 7e s ld e s i g nf l o w 设计工程师根据设计输入的定义完成算法的开发，提出一种系统的架构，并用 e s l 语言描述这种系统架构，即系统级描述，并在此基础上完成软硬件的初步划 分。 之后可以开始软件和系统级硬件的设计，这里的系统级硬件设计是指对功能单 元的高抽象层次建模，完成功能设计，比如基于s y