（计算机系统结构专业论文）soc设计中的ip重用技术研究.pdf

摘萎 摘要 随着集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 技术的飞速发展，其集成度和复杂度 越来越高，尤其进入深亚微米时代以后，单片i c 已经能够容纳处理器及外圈设 备，形成片上系统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) ，但是传统s o c 设计方法不能适应 ：芯片复杂性快速增长的步伐；与此同时，随着市场竞争的加剧，s o c 设计公司 需要降低产品丌发周期以提高对市场的快速反应能力。因此，必须引入新的设计 方法来提高丌发效率和降低成本，并且为了缩短产品的开发周期，需要进行有效 的模块重用。 论文首先介绍了系统设计方法学的发展历程和当前电子自动化设计的发展 趋势。介绍了复旦大学c a t 实验室自行研发的基于平台设计的嵌入式系统丌发 环境( e m b e d d e ds y s t e mi n t e g r a t e dd e s i g ne n v i r o n m e n tb a s e do ne c l i p s ep l a t f o r m ， e s i d e ) 。该环境基于插件的e c l i p s e 框架结构，是s o c 辅助设计的统一集成环 境。 然后，论文对具有知识产权( i p ) 的功能重用技术，从i p 复用和集成自动 化角度提出了些新的方法。其中主要工作成果有： 分析了i p 模块可重用设计方法及主要问题，提出了一种基于x m l 的i p 库框架，可以有效提高i p 的可重用度和可配置性； 分析了目前流行的片上总线结构，提出一种基于总线i p 的自动设计方法， 并且以w a s h b o n e 总线i p 为基础开发了片上总线自动生成工具s o c b u s g e n 。 上述研究成果均应用于实验室的嵌入式系统开发环境( e s i d e ) 。 关键词：片上系统，知识产权核，i p 复用，i p 库，总线生成 中图法分类号t p 3 9 1 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s i l i c o nc a p a c i t ya v a i l a b l et o i n t e g r a t es y s t e mo nac h i p ( s o c ) b r i n g so nar a p i di n c r e a s ei ni cd e s i g nc o m p l e x i t y a tt h es a l t l et i m e ，m a r k e tf o r c e sh a v el e dt og r e a t e rt i m e - t o m a r k e tp r e s s u r e t h eg a p b e t w e e na d v a n c e si nd e s i g np r o d u c t i v i t ya n da v a i l a b l es i l i c o ni n t e g r a t i o nc a p a b i l i t y i m p e d e dt h ee f f e c t i v ed e v e l o p m e n to fs o c i no r d e rt or e d u c ep r o d u c tc y c l et i m ea n d d e v e l o p m e n tc o s t ，d e s i g np r o d u c t i v i t yo fe n g i n e e rm u s tb ei n c r e a s e d i ti sn e c e s s a r yt o t e a s e c o m p l e xp r e - d e f i n e dd e s i g n b l o c k s t h e s y s t e m i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ( i p ) m o d u l e s f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fs y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g ya n d p l a t f o r m b a s e dd e s i g nm e t h o dw h i c hb e c o m ep o p u l a ri ns o ca u t o d e s i g nf i e l d s t h e n p r e s e n t sas o cd e s i g nt o o le s i d e ( e m b e d d e ds y s t e mi n t e g r a t e dd e s i g ne n v i r o n m e n t b a s e do ne c l i p s ep l a t f o r m ) w h i c ho u rl a bp r o v i d e t h i sd i s s e r t a t i o nd os o m er e s e a r c ho ni pr e u s et e c h n o l o g ya n dg i v es o m en e w m e t h o d sb a s e do np l a t f o r ma n da u t o m a t i ci n t e g r a t i o n t h e r es e v e r a lm a i nr e s u l t si n t h i sd i s s e r t a t i o n ：ot h ed i s s e r t a t i o na n a l y z et h ep r o b l e m sw h i c hw i l lb ee n c o u n t e r e d i ni pr e u s ed e s i g n t h e r ea r em a n yp r o b l e m si ni pr e u s i n g ：c h a r a c t e r i z a t i o no fi p sa n d h o wt om a k et h ei p sm o r er e u s a b l e c o n c e r n i n gt h ep r o b l e m si ni pr e u s i n go fs o c ， an e wf r a m e w o r ko fx m l - b a s e di pd a t a b a s ei sp r e s e n t e d s e v e r a lp o p u l a rs o c b u ss y s t e mb ea n a l y z e da n dt h ed i s s e r t a t i o np r e s e n tam e t h o d o l o g yt og e n e r a t ea c u s t o mb u ss y s t e mf o rs o c o u rb u sg e n e r a t i o nt o o ，w h i c hb ec a l l e ds o c b u s g e n ， u s et h i sm e t h o d o l o g yt og e n e r a t ec u s t o mb u ss y s t e m k e y w o r d s ：s o c ，i p , i pr e u s e ，i pr e p o s i t o r y ，b u sg e n e r a t i o n 中图法分类号t p 3 9 1 第一章绪论 第一章绪论 集成电路技术在近十年里有了飞速的发展，加工工艺从o 5um ，0 6um 亚 微米级工艺发展到o 2 5um ，0 1 8 um 甚至0 1pm 的深亚微米( d s m ) 和超深 亚微米级工艺，单芯片集成度大大提高，加上集成电路设计的多年积累，单个芯 片有能力实现复杂的系统，从而产生了系统芯片( s y s t e m o n c h i p ) 。在系统芯片 上实现复杂系统不是简单的将过去的设计在同一芯片上简单的集成，而需要考虑 许多新的技术问题，诸如s o c 设计方法学以及i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ) 核的设 计复用技术。 本章第一节介绍了系统芯片s o c 以及l p 核的基本概念：第二节提出了s o c 设计中面临的主要问题；第三节阐述了本文的研究重点以及章节安排。 1 1 系统芯片s o c 和i p 核基本概念 四十年前，英特尔( i n t e l ) 创始人之一高登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 曾预言， 集成电路的集成度每三年增加四倍，最小特征尺寸缩小3 0 ，学术界和产业界 将这个预言称为摩尔定律。直到目前为止，集成电路产业仍然按照摩尔定律在快 速发展。表l - l 为i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a po fs e m i c o n d u c t o r s ：国 际半导体技术发展规划) 给出的1 9 9 9 到2 0 1 4 年集成电路工艺技术发展趋势。 芷 1 9 9 92 0 0 22 0 0 52 0 02 0 i2 0 1 4 度81 特0 ，1 8o 1 3 o 1 0 0 0 7 0 0 5o 0 3 5 征尺寸 ( um ) 集 成规模 1 2 03 3 08 8 02 57 11 9 9 mmmggg 晶体管 数量) 表1 1 集成电路工艺技术发展趋势 从表1 1 可以看出，在2 0 0 2 年，使用最新的o 1 3um 工艺技术可以使得集 第一章绪论 成电路的规模达到3 3 0 m 只晶体管，这完全可以将一个完整的系统集成到单个芯 片上于是出现了所谓的系统芯片s o c 。 1 1 1 系统芯片s o c h e n r yc h a n g 等人认为s o c 是一种复杂的集成电路，它将终端产品的主要功 能单元完全集成在单个芯片或芯片组( c h i p s e t ) 中。通常，s o c 包括一个可编程 处理器、片上存储器和由硬件实现的加速单元。另外s o c 作为一个系统需要直 接与外部世界打交道，因而它一般还包含模拟以及数模混合部件，在未来它还可 能会将光微电子机械系统( o m e m s ) 部件集成在一起；r o c h i tr a j s u m a n 则将 s o c 定义为一种将多个v l s i 设计集成在一起针对某一种应用提供完全功能的集 成电路。 当前关于系统芯片s o c 还没有统一的定义，而且随着时间的推移其内涵还 在不断发展，本文认为一个s o c 一般具有一下特征1 2 】【3 1 1 4 】【5 】剐7 】： 它是一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路； 系统芯片s o c 不仅包含复杂的硬件电路部分，而且还包含软件部分； 复杂硬件电路一般内涵一个或多个芯核( 特指微处理器m p u 、微控 制器m c u 或数字信号处理器d s p 等作为软件执行载体的特殊i p 核) ，而且在设计中大量复用第三方的i p 核： 一般采用超深亚微米工艺技术来实现； 图1 1 系统芯片s o c 结构示意图 一个典型的s o c 如图1 1 所示。通常系统芯片s o c 总要嵌入个或多个芯 核，芯核是整个芯片的核一t l , ，图中仅给出一个芯核；在s o c 中嵌入式存储器是 必不可少的。图中给出四块a 、b 、c 、d 。据统计，在今天的s o c 中，存储器 面积大约占整个芯片面积的5 0 到6 0 1 3 1 ；除此之外一般还有生成片上时钟的 2 鹅一章绪论 锁相环电路p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) ，p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 接口电路，以及其它一些具有特殊功能的i p 核a 、b 、c ，还有可能包含些与 外部相连接的a d 、d a 转换电路。另外，在s o c 设计中，一般不可能所有的 功能部分都可以找到相应i p 核，还可能需要自己设计一些逻辑即用户定义逻辑 ( u d l ：u s e rd e f i n e dl o g i c ) 来实现一些特殊的功能。 作为集成电路产业中的新技术，s o c 技术始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 9 4 年摩 托罗拉公司发商的f l e x c o r e 7 ”系统( 用来制作基于6 8 0 0 0 和p o w e r p c 7 m 的定 制微处理器) 和1 9 9 2 年l s ll o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，是基于i p 核 完成s o c 设计的最早报道。由于s o c 的基本体系结构以片上总线为核心，这就 使芯片具有较强的可扩展性：芯片的升级换代只需要在总线上增加或替换新的i p 功能模块。因此，可以把s o c 看作为一个系统的设计平台。在一个s o c 设计平 台上，可以规划出个产品的系列，这对降低设计成本，加快t t m ( t i m e t o m a r k e t ) ，保障产品质量都有十分正面的作用。在2 0 0 0 年的c i c c ( c u s t o mi n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n f e r e n c e ) 会议上，摩托罗拉公司s o c 设计技术 研究部主任j o ep u m o 作了题为“s o c ；t h ec o n v e r g e n c ep o i n tf o rs o l u t i o no f 2 1 s t c e n t u r y ”| 8j 的主题报告，对s o c 的现状和发展趋势作了详尽的介绍和分析。该 报告认为，s o c 设计技术的出现是集成电路产业发展历史上的次革命，它将 全方位的、深刻的影响集成电路的设计、加工、市场和应用。 1 1 2i p 核 所谓i p 核就是常说的知识产权。美国的d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业中 的i p 定义为用于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 、a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ) 等器件中，并且是预先设计好的电路功 能模块。 本文认为所谓i p 核就是指已经设计好的并经过实际验证的具有特定功能的 性能优化的一些电路功能模块。i p 核一般包含以下三层含义：首先i p 核是一些 设计好的功能模块，并且要具有很好的可阅读性，设计文档容易理解，i p 核应 该容易被使用、集成，最好具备可配置的特点，使其能够适用于客户的不同设计 要求，购买一个i p 核所得到的只是一些设计数据，而不是实际芯片；其次为了 确保i p 核的性能，i p 孩必需经过实际验证，最好是i p 核在设计中已经被成功使 用，最起码也是经过某种可编程器件如现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 等验证其功能是正确的设计；最后，为了吸引别人购 买你的i p 核，要求i p 核必须经过性能优化，只有那些性能优异的i p 核才会有 人来购买。 第一章绪论 从提交形式上看，i p 核一般分为三种，即软核( s o f tc o r e s ) 、硬核( h a r dc o r e s ) 和固核( f i r mc o r e s ) 1 9 1 1 1j 。 软核一般是指可综合的r t l 级描述提交的核。由于软核不依赖于最终的实 现工艺，因此具有很大的灵活性。使用者可以非常方便的将其映射到自己所使用 的工艺上，可复用性最高。此外软核的使用者完全拥有源代码，使用者可以通 过修改源代码，并对源代码进行优化生成自己的软核。但软核也有其不足之处。 软核所提供的是r t l 级描述，而用户要将它嵌入到自己的设计中就必须自己对 从r t l 到版图( l a y o u t ) 的转换全过程负责，这样设计的复杂性将大大增加。 同时核的性能在这种转换过程中也难以得到保证。 硬核一般是指以电路版图形式提交的核。很显然，硬核总是与特定的实现工 艺相关，而且核的形状、大小以及核的端口的位置都是固定的。因此它的灵活性 最小，可复用性最低；但证是硬核具有不可更改性，因此它的性能最稳定，可靠 性最高。 固核处于软核和硬核之间，它般是以门级网表的形式提交。固核通常对应 于某一特定的实现工艺，因此与软核相比，它的性能更加可靠。固核一般由使用 者束完成布局布线，因此和的形状、大小以及和的端口的位置都不是固定的，因 此与硬核相比它具有更大的灵活性。但是固核也有其自身的弱点。即它与实现工 艺的相关性以及网表的难读性。与实现工艺的相关性限制了固核的使用范围；而 网表的难读性使得一旦用户在布局布线过程中出现时序违反时如何排除它就显 得非常困难。三种i p 核之间的特点如表1 2 所示。 名称提交形式与工艺实灵活性可靠性 现相关性 软核r t l 描述无关高低 固核门级网表相关一般一般 硬核版图相关低高 表1 2 三种i p 核之间的特点比较 典型的i p 核如：微处理器核( m p u c o r e ) 、数字信号处理器核( d s p c o r e ) 、 存储器核( m e m o r yc o r e ) 、m p e q 核以及一些标准接口i p 核如e t h e r n e t 核、u s b 核、p c i 核、i e e e l 3 9 4 核等。将这些典型的i p 核组装在一起就可以构成一个功 能完整的系统芯片。 第一章绪论 1 2s o c 设计中面临的主要问题 集成电路制造技术的快速发展仅仅为s o c 的实现提供了一种可能，而要使 s o c 成为现实的关键是i c 设计人员要具有相应的s o c 设计能力。从历史上看， 集成电路的设计能力一直落后于集成电路的制造能力，如图1 2 所示。 图1 2 半导体工艺发展与i c 设计效率增长之间的剪刀差 从图1 2 中可以看到，在过去的两个十年中，加工技术以平均年递增5 8 的 速度发展，而设计能力的发展速度只有2 1 。因此必须对s o c 设计的方法学进 行研究。s o c 设计方法学主要包括以下三个方面： ( 1 ) 软硬件协同设计 面向s o c 的软硬件协同设计是从一个给定的系统任务描述着手，通过有效 的分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生成 符合系统功能要求的、符合实现代价约束的硬件和软件架构。 从原理上可以归纳成由以下几个部分组成： 1 系统的描述：系统描述的主要任务就是用一种或几种描述语言描述系统 所要实现的功能、性能约束条件，并通过分析方法验证系统描述的f 确性以及系 统是否满足需求分析。 2 系统综合：系统综合通常完成硬软件划分和性能评估。硬软件划分是寻 找一种映射算法去完成系统中的功能模块哪些用硬件实现，哪些用软件实现，以 使得整个系统不仅满足功能和性能约束条件，而且能优化系统的设计。硬软件 划分是否达到设计要求，一般要进行硬软件协同模拟，因为硬软件划分般是 根据固定的参数值来进行的，这与系统实际工作时的情况往往存在一定的差异。 3 硬软件协同综合：硬软件协同综台是一个从抽象到具体的一个过程。在 这个阶段，将硬软件划分后用硬件实现的功能模块转换成可被综合为硬件电路 的硬件描述语言，用软件实现的模块转换成可被编译执行的软件代码。此外还要 进行通讯综合，即将抽象的通讯用具体的通讯协议来取代。 但是对于十万门以上超大规模集成电路的出现使设计的复杂度大大增加，同 时产品投放市场时间的要求越来越短，t t m ( t i m e t o m a r k e t ) 成为设计时重点 第一章绪论 考虑的问题，这样以门级模块为基础的硬件设计不能适应i c 生产的需求。因此 在软硬件协同设计的过程中，用硬件实现的功能模块不再被综合成硬件电路的 硬件描述语言、，而是映射到已经预先经过验证的1 p 模块，这种以i p 模块为基础 的设计称为基于模块的设计。在应用基于模块的设计时，逐渐出现了另一个难题， 就时在丌发完一个产品后，如何能尽快的开发出同一领域的系列产品，这种需求 驱动了基于平台设计的概念的产生。基于平台设计方法的基本思想是为了避免芯 片设计一切都从头来。芯片架构中有些部分针对特定类型应用已预先定义好，通 常包含处理器、实时操作系统( r t o s ) 、外围l p 模块、一些存储器及总线结构。 根据不同的平台类型，用户可以通过增加硬件i p 、可编程f p g a 逻辑或编写嵌 入式软件来定制芯片设计。这种设计方法的好处是平台可限制各种选择，因此通 过广泛的设计复用提供更快的上市时间。但坏处也体现在平台限制了选择，与传 统的a s i c 或全定制设计方法相比，其灵活性和性能会有所降低。 ( 2 ) i p 核的复用及集成设计 由于系统规模的不断增大和设计周期缩短的要求，应用领域的扩展，系统芯 片功能的复杂化和多功能化，决定s o c 芯片设计必须采用已有的成熟技术，即 i p 核复用方法设计系统，从而简化芯片的设计。但是由于i p 可能来自不同的设 计者，遵循不同的通讯协议，则它们之间的连接可能会导致不兼容性。因此产生 了一些国际组织来协调i p 标准和集成方案的制定f j 7 】 沼1 ，如虚拟插座接口联盟 ( v s i a ，v i r t u a ls o c k e t i n t e r f a c e a l l i a n c e ) 成立了系统级设计、1 p 保护、片上总 线、混合信号设计、实现验证、测试等1 1 个开发工作组来制定设计复用标准。 但是与总线协议一样，业界并没有一个统一的接口标准以供执行，因此i p 复用 时的接口模块仍然需要通过高层系统描述的综合来实现。同时，接口模块功能的 验证也并没有得到与f p 功能模块本身同等的重视。 ( 3 ) 深亚微米设计 s o c 器件由于设计规模的庞大，十分依赖于深哑微米加工技术。深亚微米 工艺带来了一系列的问题，首先是时序收敛问题( t i m i n gc l o s u r e ) 1 9 l o 原来影响 性能的二级物理效应现在已经成为不可忽视的重要因素。需要更精确的器件与连 线模型。原来器件延迟是主要延迟，现在连线延迟是主要延迟成分，而且只有在 进行后端的物理设计时才能准确知道。传统的前端设计与后端设计分离的设计方 法会由于设计迭代过程不收敛而导致设计失败。深亚微米设计方法必须把前端的 逻辑设计和后端的物理设计联合起来同时迸行【2 0 】。其他如信号完整性、可测性、 可靠性分析等传统问题在深亚微米设计中也变得尖锐起来。深旺微米设计不是 s o c 设计特有的问题，而是工艺技术发展到今天必然出现的、具有普遍性的问 题，只不过在s o c 设计中矛盾显得更为突出。 6 第一帝绪论 1 3 本文的主要贡献 针对s o c 设计中面临的问题( 1 ) 和( 2 ) ，本文探讨了i p 核的复用技术和 基于平台的设计方法，提出一些解决问题的方法，归纳下来主要有以下三点： 1 提出一种基于x m l 的i p 库框架结构，采用x m l 组织和管理i p 库； 2 片上总线的自动生成，根据事先给出的r t l 缴总线模板和用户的特定需 求，使用p e r l 脚本自动生成片上总线的r t l 代码； 3 新的基于平台的设计方案，引入e c l i p s e 作为s o c 设计平台的基础框架， 通过插件的形式使得e c l i p s e 扩充为辅助s o c 开发的设计平台； 以上三点都是基于实验室快速样机平台课题。本人独立完成了i p 的组 织与管理和片上总线的自动生成，参与了基于平台设计方案的研究与丌发。 1 4 论文的组织 本文共分为五章。第一章是序论，第二章是基于平台的s o c 设计与平台实 现，第三章是i p 核的生成和复用设计，第四章详细介绍了i p 的集成并给出总 线自动生成的个实现方法。第五章总结全文并且对未来工作阐述了自己的观 点。 第一章摹于甲台的s o c 设计方法发其实现 2 。1 引言 第二章基于平台的s o c 设计方法及其实现 对系统芯片而言，有百万门、千万门甚至上亿门的规模，如果芯片从头丌始 设计，设计工作量非常大，t t m ( t i m et om a r k e t ) 的问题将会非常严重。另一 方面，随着芯片加工技术的提升，设计费用也不断攀升。例如，一套掩模的设计 费用从以前的几万美元己经上升到五十万美元。t t m 和设计成本从来都是推动 设计方法学进步的两个基本动力 2 t l 。近年来出现的基于i p 核复用( r e u s e ) 的 s o c 设计技术以及可编程( p r o g r a m m a b l e ) 技术、可重构( c o n f i g u r a b l e ) 技术、 动态可重构( d y n a m i cc o n f i g u r a b l e ) 技术正是从降低t t m 和设计费用的角度出 发，成为现在s o c 设计方法学进步的主要技术推动力。 本章在研究系统设计方法学发展史的基础上介绍基于平台的s o c 设计方 法，最后介绍我们实验室厄在开发的嵌入式系统设计平台。 2 2 系统设计方法学发展历程 2 2 1 系统设计方法学的演变 集成电路的设计总是滞后于制造技术的发展，形成了著名的“剪刀差”，改 进设计方法学几乎是缩小剪刀差的唯一途径。为了满足不同时期的设计复杂度的 需求，先后产生了三种主要的设计方法：时序驱动设计、基于模块的设计和基于 平台的设计肛。 时序驱动的设计方法( t i m i n g d r i v e nd e s i g n ，t d d ) ：早期的设计是面积驱 动的设计，其优化目标是逻辑( 面积) 最小化。由于面积驱动的设计方法使用统 计平均的线负载模型，导致深亚微米设计中的时序设计不收敛，从而推动了时序 驱动设计方法的诞生。时序驱动的核心是版图规划和互连线延迟模型，关键的设 计工具是版图规划工具和时序分析工具。 基于模块的设计方法( b l o c k b a s e dd e s i g n ，b b d ) 随着制造技术的进一步 提高。系统的设计规模越来越大，t t m 压力也随之增加。复用技术、基于模块 的设计方法就成为必然。现在，复用技术和基于模块的设计方法更迸一步发展成 为专业化分工的产业格局。i p 设计业与系统集成业已经发展成为两个基本独立 第一二章基十卜台的s o c 驶计方法发其实现 的产业。制造技术的提高一方面造就了新一轮的产业分工，另一方面削弱了前端 和后端的差别。在深亚微米技术中，连线延迟在系统总延迟中所占的比例越来越 大。由于连线产生于布局布线之后，因此延迟信息的不可预知性约束着前端设计 的各个环节。早期的前端一后端不断循环的设计方法常常遇到不收敛的问题。 c a d e n c e 公司为此提出了物理综合的概念，从而打破了传统的前端、后端之间的 界限。门级综合将带有连线延迟信息，而连线延迟信息是在前端的“预布局”中 获得的。物理因素考虑的提前是对工具软件提出了新的要求。在“前端”的各个 设计环节中都需要“预佰局”功能，以尽早得到连线延迟信息。 基于平台的设计方法( p l a t f o r m b a s e dd e s i g n ，p b d ) ：“平台”包括硬件平 台、软件平台和系统平台。硬件平台应该包括c p u 、b u s 、r a m 等基本元件； 软件平台就是r t o s ( 实时操作系统) ；硬件平台和软件平台共同构成系统平台 ( s y s t e mp l a t f o r m ) 。基于平台的设计方法强调系统设计，包含了t d d 和b b d 的各种技术。p b d 技术要求工具软件支持软硬件协同设计和验证，提供系统级 的算法和结构分析。 上述三种设计方法学的设计特征比较见表2 1 。 设计特性 t d db b dp b d 设计复杂度5 k 2 5 0 k1 5 0 k 1 5 m 3 0 0 k 以上 ( 门) 设计层次r t l 行为描述r t l 系统设计 设计团队规模小、专业多学科团队 多设计团队 协作 主要设计工专用逻辑电电路功能模块系统集成 作路 设计复用 无 随机复用有计划复用 主要设计颗 门和存储器 功能模块、芯核平台和i p 粒度 总线结构无专用专用标准化多总 线结构 测试结构无 s c a n j t a g b i s t 层次化，并 行测试 模拟混合信 无a d 、d a 、p l l功能、接口 县 约束设计逻辑约束模块资源预算约接口约束 目标 柬 第二章苯于平台的s o c 鞋计方法发j 实现 软硬件协 无软硬件功能软硬件接口 同验证 时序分析平面 平面局部层次化层次化 延迟计算平面平面层次化 表2 1 设计方法学比较 在上面介绍的设计方法的发展历史中可以看到两条普遍规律：结构化原则 ( 以及结构颗粒最大化原则) ，以及设计向高抽象层次发展的规律。 2 2 2 系统设计的积木化和抽象层次的发展历程 随着集成电路设计规模的不断增加，积木化设计方法就愈加显得重要。积木 单元由最初的晶体管、门单元发展到今天的i p 核，正朝着平台的方向发展。随 着系统结构越来越复杂和电路规模越来越大，设计方法对系统抽象层次不断提出 新的要求。抽象层次是指描述系统特性的方法的抽象的程度，它经历版图、门级 网表、r t l 描述发展到可执行语言建模1 1 。图2 1 所示为系统抽象层次和积木化 设计的发展历程，图中横向灰线条表示系统设计的各个关键环节，纵向列出每个 环节中硬件设计结构的抽象层次以及所对应的库、库元件，并给出相邻两抽象层 次问的映射技术。 图2 - 1 系统抽象层次和积木化设计的发展历程 第一章幕于甲台的s o c 设计方法及其实现 基于平台的设计方法( p l a t f o r m b a s e dd e s i g nm e t h o d o l o g y ，p b d m ) 为s o c 的系统级设计提供了有效的解决方案。p b d m 是以复用技术为基础的，而复用技 术是一种建立在“抽象层次”( 1 e v e l o f - a b s t r a c t i o n ) 和“库”( 1 i b r a r y ) 概念上的 设计方法。 复用技术可以追溯到“门级元件库”，即综合库。门级库提供的复用单元是 经过验证的标准逻辑门电路设计，比晶体管的规模要大一些，而且有可靠的质量 保证。h d l 硬件描述语言+ 的出现将系统设计的抽象层次提高到r t l 水平 ( r e g i s t e r - t r a n s f e r l e v e l ) ，库的概念大大的被推广。仿真库、综合库和版图库为 仿真( s i m u l a t i o n ) 、综合( s y n t h e s i s ) 和版图设计( 1 a y o u t ) 提供了快速可靠的技 术支持。值得强调指出的是，仿真库、综合库和版图库是不同抽象层次上的元件 库，是相应抽象层次上的复用技术的基础。随着产业界对设计速度和质量的更高 要求，进一步加大复用单元规模的要求与日俱增。在这样的背景下，从九十年代 中期丌始，复用单元开始从逻辑门向i p 发展。近年束复用单元的规模进一步提 高到了“平台”。平台由各种i p 构成，如c p u 核、存储器以及i o 等，而平台 本身又将是构成下一个抽象层次的i p 。目前，在大型设计公司中基于平台的设 计方法正在发展成为主流设计方法。 图2 一l 中的实心向上箭头描述设计方法学的推进方向；而空心向下箭头则描 述整个完整设计的流程。可以看出，设计方法学发展的过程就是系统结构抽象 层次上升的过程。在一个设计流程中，从高抽象层次到低抽象层次的过程( 自上 而下) 就是“映射”( m a p p i n g ) 的过程。图2 2 给出了自上而下设计方法在不同 抽象层所使用的映射技术。 当工艺技术发展到5 0 纳米时，单片电路复杂度已经走到了极限。功能复杂 度的继续增长将驱动在i c 基础结构中出现更大、更强的“多系统( m s o c ) ”， 并使得板级多系统( 多系统芯片，m u l t i s o c ) 逐步向片上多系统( m u l t i s y s t e m o nac h i p ) 的方向发展。多系统芯片有中心式和分布式两种主要的形式。中心式 指的式由少数高度复杂的芯片组成系统的核心，配合多数中等复杂度的芯片组成 系统。分布式指的式芯片阵列( 如s o c 阵列) 。在分布式系统中没有核心芯片。 多系统的设计将基于单个的s o c 系统，即将m s o c 的功能细化( r e f i n e m e n t ) 到若干个s o c 系统中，由多个s o c 互相通讯，并行工作来解决同益复杂的检测、 计算和信号处理等问题。 第一二章接十、f 台的s o c 设计方法发其实现 2 3 基于平台的s o c 设计方法 2 3 1 平台的概念 如今s o c 的规模已经可以达到千万门的数量级，如果每个i p 按照5 万门计 算，那么就需要8 0 0 个这样的i p 集成在一起，显而易见，建立这样复杂的系统 在时删和成本上都是令人生畏的。仅制作0 1 3 微米掩模版的费用就高达1 0 0 0 ， 0 0 0 美元。幸运的是业界已经逐渐认识到相似产品的丌发可以采用相似的器件和 结构。如果建立一个s o c 开发平台，会有效的利用已有资源，提高开发效率， 降低丌发成本，缩短上市时间。 基于平台的设计是“自上而下”( t o p - d o w n ) 与“自下而上”( b o t t o m u p ) 设 计的结合，是“在中间相遇”( m e e t i n t h em i d d l e ) 的设计方法。“自上而下”是 细化的过程，是从应用产品的需求出发，逐步细化到选择出全部库元件的过程； “自下而上”是建库的过程，是设计库元件的过程。在建库的过程中，要尽量保 持每个库元件的广泛通用性，以适应更多产品的需求。 但是基于平台的设计方法却还没有明确的定义，这一概念的主要发起人 s a n g i o v a n n i v i n c e n t e l l i 将平台定义为“带有两个视图的抽象层”：上层视图允许 用户开发一个应用而不用涉及更低层的抽象；底层视图则是一系列规则，用于对 属于该平台系列部件进行分类。c a d e n c e 设计系统公司g r a n tm a r t i n 则认为，基 于平台的设计是“定义和使用一种架构系列，它专为特定类型应用领域而开发， 遵循为实现高层次硬件和软件组件复用而设立的约束条件。将使基于个别i p 模 块级的复用提升到基于硬件和软件模块架构的复用。”虚拟插座接口联盟( v s i a ) 的基于平台设计开发工作组( p b dd w g ) 希望提出各方都能接受的一种分类方法 作为终结定义。该小组将一个s o c 平台定义为“一个虚拟器件库和一个结构化 框架，包括一套集成的、预先验证过的软件和硬件虚拟器件( v c ) 、模型、e d a 和软件工具、库及方法，支持通过结构化探查、集成和验证进行快速产品开发。” 该小组说，基于平台的设计是“一种面向集成的设计方法，强调系统复用，用于 开发基于平台及硬件和软件v c 兼容的复杂产品，目的是减少开发风险、成本和 上市时间。” 上述对基于平台设计方法定义的不一致，在于定义的角度不同。从纵向来说， 设计的层次从晶体管级、门级、寄存器级、模块级到系统级，是一个逐步抽象的 过程，高层设计忽略了低层实现的细节。从横向来说，积木化的设计使复用技术 在各个层次中得到广泛应用，并推动设计向更高层次发展。总体上说，基于平台 的设计方法是在系统行为级上对系统的行为进行建模，然后将各个功能模块分别 第一章草十平台的s o c 设计方法及其实现 映射到硬件平台和软件平台上，组成系统平台。 v s i a 对于平台给出了如下定义： 一个平台是由组具有共同的、可集成的、可控制的功能部件构成，在平台 上可以丌发一系列产品。在s o c 的范畴，它是指一个虚拟元器件库和一个体系 结构框架，包含一组可集成的经过认证的软件和硬件v c ( v i r t u a lc o m p o n e n t ) 、 模型、e d a 和软件工具、库和方法学，通过结构调整、集成和验证支持快速s o c 开发。 对基于平台的设计v s i a 给出如下定义： 一种面向集成的设计方法，着重于系统的复用，是为了开发基于平台的复杂 产品，目的是减少开发风险、成本和上市时间。 随着s o c 设计集成化的发展，越来越多的i t 厂家推出了基于平台的设计方 案。其中比较突出的方案是a l t e r a 公司推出的s o p c b u i l d e r 和m e n t o r 公司研制 的p l a t f o r l ne x p r e s s 。本节将这两款设计系统的对比介绍。 s o p cb u i l d e r 设计平台 s o p cb u i l d e r 是a l t e m 公司近期推出的一个自动化s o p c 系统开发工具，图 2 2 为s o p cb u i l d e r 开发平台 3 0 1 。 图2 2s o p cb u i l d e r 设计平台 它能够极大地简化高性能s o p c 的设计工作。该工具提供一个直观的图_ 形用 户操作界面，用户可以通过图形界面简化系统的定义工作。由于s o p cb u i l d e r 不需要直接编写h d l 代码来定义系统，由此很大程度上节约了设计开发时间， 提高了丌发效率。s o p cb u i l d e r 为每个元件提供了一个向导，利用该向导能够很 第一二章基十、卜台的s o c 没计方法及其实现 容易地定义元件功能。例如，通过向导能够快速的在一个设计中修改n i o s 处理 器参数，添加外设接口等。为了将为处理器核、外围设备、存储器和其他的i p 和连接在一起，s o p cb u i l d e r 能够自动生成片上总线和总线总裁逻辑等所需的逻 辑。通过自动完成以前易于出错的工作，s o p cb u i l d e r 可以为嵌入式系统开发设 计节约大量的时间。 p l a t f o r me x p r e s s 设计平台 p l a t f o r me x p r e s s 是m e n t o r 公司为提高嵌入式系统开发效率开发的一款基于 平台的嵌入式系统开发设计工具 3 1 。图2 3 位p l a t f o r me x p r e s s 开发平台的设计 界面。 图2 3p l a t f o r me x p r e s s 设计平台 为了提高i p 的复用程度，p l a t f o r me x p r e s s 中的i p 都用x m l 表示。最为一 款设计工具，p l a t f o r me x p r e s s 能够帮助你选择一个优化的处理器子系统作为设 第一章犟于平台的s o c 殴计方法及其实现 计的基础，然后通过集成经过验证的具有复杂功能的i p 来扩充设计的功能。 p l a t f o r me x p r e s s 利用s o c 总线将i p 集成到系统中。借助于优化的、可配置的设 计模块，p l a t f o r me x p r e s s 使得工程师能够专心于自定义逻辑设计的开发。 2 3 2 基于平台的设计方法 当i p 的重用变得简单，可以进一步丌发芯片体系结构的可重用性 1 9 1 一 2 1 】， 以提高设计的灵活性，使得i p 模块易集成。否则，i p 模块的重用不可能实现。 基于系统设计发展的现状，我们研究了基于平台的设计方法，用基于平台的 体系结构刀：发系列的s o c 系统。为使得平台可以共享相同的特征和需求集成 平台设计限制在一定的应用范围以内。 集成平台是指提供一基于平台的设计环境，它可以选择一系列经过质量认证 的、具有预定义特性的i p 模块，集成在预定义的体系结构中，用已有的测试平 台进行验证，具有可批量生产的特点。同系列s o c 产品采用相同的处理器内核 和通讯总线，但同时可以根据用户的需要，进行相应的配置和选择不同的外设。 采用公用的开放标准总线结构，可以直接与其他部分结构实现特定的功能，确保 了【p 模块问的通讯，更易于集成，缩短系统设计的周期，简化了i p 的重用。 下面介绍集成平台的组织结构和基于平台的s o c 设计。 平台的构成 集成平台的组成为：平台基础、i p 库、可扩展的体系结构( 总线等) ，以及 用于数据交换和团队协作的集成环境。平台基础是集成平台的固定部分，可以重 复使用，与所选择的i p 模块组合创建定制的s o c 系统。 平台按照功能可以分为硬件平台和软件平台。 硬件平台 g s r c ( o i g a s e a l es i l i o nr e s e a r c hc e n t e r ) 组织在伯克利大学的研究组将硬件 平台( h a r d w a r ep l a t f o r m ) 定义为一组具有相同功能和相