SOC设计中的核心技术
发布时间：2010-10-7 21:52
发布者：eetech
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集成电路制作工艺进入深亚微米之后，IC设计能力滞后于工艺水平日甚，势必要提出新的设计思想和设计方法，SOC (System On a Chip)为缓解设计滞后问题提供了一个有效途径，SoC设计中集成了复杂的IP(intellectualproperty)模块和嵌入式软件，受到普遍的重视和认可。作为SOC技术的核心，可复用的1P核(IntellectualProperty)和软硬件协同设计，得到已有的一些EDA公司和IC公司的重视，通过IP(IntelligentProperty)复用的方法可以有效地提高设计效率、降低市场风险、减少研发费用，缩短研发周期；软硬件协同设计(software/hardware co-design)技术允许在设计早期进行软件和硬件的协同测试，及早地发现设计的问题从而能够缩短上市时间，因此成为当前研究的热点。 一、IP核复用技术 SOC的设计过程中最具特色的是IP复用技术，即选择所需功能的IP（给出IP定义）核集成到一个芯片中用。成功的IP复用并不仅仅是简单的错误修补过程，通常需要经过多次实验、纠错才能成功地将IP核集成到SoC中。基于IP核复用技术的SoC设计使芯片设计不再是门级的设计，而是可重用IP核为基础的系统级设计，这主要关心的是IP核间的互连性，通常采用片上总线结构来解决IP核之间的互连性，即核与核之间并非直接相连而是通过片上总线进行互连，IP核之间通过网络结构来实现数据的传输（如图1）。  IP核集成到系统所要考虑的问题包括：同步，例如全局执行、数据交换和协议方面的同步操作；协议转换，不同模块间不兼容的协议的转换，封装可用来解决这个问题，但需要考虑时序约束；I/O缓存，为满足系统行为和时序约束可能需要缓存数据。由于IP核的设计千差万别，IP核的连接就成为构造SoC的关键。为解决这些问题需要一个好的接口标准，目前一些大公司已经开发出许多可用于核互联的片上总线，比如Altera 的Avalon、IBM 的Coreconnect、 ARM 的AMBA、OCP-IP提出的OCP 及Silicore的WishBone等等。 AMBA总线是一个多总线系统。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宏单元的可重用性。典型的基于AMBA的SOC核心部分如图2所示。其中高性能系统总线（AHB或ASB）主要用以满足CPU和存储器之间的带宽要求。CPU、片内存储器和DMA设备等高速设备连接在其上，而系统的大部分低速外部设备则连接在低带宽总线APB上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器（AHB/ASB—APB－Bridge）进行连接。  AMBA的AHB适用于高性能和高时钟频率的系统模块。它作为高性能系统的骨干总线，主要用于连接高性能和高吞吐量设备之间的连接，如CPU、片上存储器、DMA设备和DSP 或其它协处理器等。AMBA 的ASB适用于高性能的系统模块。在不必要适用AHB的高速特性的场合，可选择ASB作为系统总线。其主要特性与AHB类似，主要不同点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。AMBA 的APB适用于低功耗的外部设备，它已经过优化，以减少功耗和对外设接口的复杂度，可连接在两种系统总线上。 OCP是基于核的免费开放的接口协议，是一个已经通用的标准接插口，可以从OCP-IP（www.ocpip.org）得到。这个标准成熟且可移植，同时得到了OCP-IP组织100多个成员公司的认可。 OCP协议使IP核与系统的接口与IP核的功能无关，设计人员不需要了解核内部也可以利用它进行系统主设计。OCP接口允许设计者根据不同的IP核的通信要求进行配置和扩展，包括接口的数据宽度、交换的握手协议等，在SoC设计中可以裁剪核的功能，降低设计复杂性，减小面积，同时满足SoC的要求；OCP接口还保持核在集成到系统的过程中自身完全不被改变，即在总线宽度、总线频率或电气负载有变化时保持不变。其工作原理如图3所示。  OCP能够实现硬件集成真正的即插即用，允许系统集成根据需要选择最好的IP核和互联机制。OCP为IP核设计提供了解决可配置性和接口的较好办法，实现了IP核与系统集成的Socket接口，能够做到核的模块化和即插即用特性。 片上总线还处于发展阶段，一般都具有以下特点： 1、总线应尽可能简单，以便于使用者学习和接受；首先结构简单，这样可以占用较少的逻辑单元；其次时序简单，以利于提高总线的速度；第三接口简单，如此可减少与IP 核连接的复杂度。 2、有较大的灵活性，支持多个主单元，各主单元可以同时与相应的从单元进行数据交换，从而提高数据吞吐量。支持可变宽度的地址和数据线，一般的片上总线支持32"128位的数据宽度，并且这些地址和数据线的宽度都是可以改变的。 3、为了降低功耗，各种信号一般都尽可能保持不变，并且多采用单向信号线。这同时有利于结构的简化及时钟的同步。 IP复用技术的优点有：一是重复利用IP可以提高设计能力，节省设计人员，是填平集成电路的设计与制造之间鸿沟的最有效方法之一；二是充分利用IP技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时间；三可以有效地降低系统功耗，简化系统加工的复杂性，加快了数据传输和处理的速度，内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。 二、 软硬件协同设计 软硬件协同设计技术和传统的IC设计流程有着比较大的差别。在这个设计过程中，软件和硬件必须自始至终都是交互状态，硬件为软件提供设计平台，反过来，软件也为硬件提供了设计平台，它们相互作用，实现交互设计。传统的IC设计方法采用硬件先行的方法，即先设计硬件，再根据算法设计软件。在深亚微米设计中，硬件的费用非常大，当设计完成后，再来更改设计中发现的错误需要花费大量的费用和时间。所以在SOC设计中，为了缩短开发周期，且获得更好的设计效果，要求使用软硬件协同设计技术。软硬件协同的方法可以使软件设计者在硬件完成之前接触到硬件模块，从而更好地设计硬件的驱动、应用程序、操作系统等软件，同时可以使硬件设计者尽早接触软件，为软件设计者提供高性能的硬件平台，减少了设计中的盲目性，如图4。  SoC的设计技术也可以称为基于平台的设计技术 (PlatformBasedDesign，简称PBD)，该设计技术包涵两个内容，即平台的建立和平台的应用，这两部分也就是SoC设计的核心，前者是可重用IP核的设计，后者便是软硬件协同设计。软硬件协同设计技术主要是上述平台的应用，其设计流程如图5所示，该设计流程与传统的IC设计和板级系统设计有着本质的区别，因此该方法的重点是在顶层完成系统仿真验证，保证在最低层模块设计之前整个系统的所有功能都已完成并经过验证，与传统的设计方法的显著区别便是原来的顺序式设计变为现在的并行式设计，所有的设计问题都要在设计之初考虑到并提出相应的解决方案，在真正子模块设计之前，所有的设计工作都是基于虚拟模块完成的，这也是SoC设计的另一个显著特点。  1．行为描述就是把系统分成多个功能块，由这几个模块完成系统所要求的功能；结构描述主要是把已有的IP核或者自行设计的IP核描述成模块，使之与功能模块相匹配，通过不断的系统仿真从而确定与系统行为描述相匹配的系统结构描述。这主要涉及到系统描述（行为描述和结构描述）的规范性。为了便于系统性能仿真，系统描述必须是规范的，这样才能解决描述不匹配的问题，才能使性能仿真人员快速进行仿真，从而节省系统描述到性能仿真的过渡时间。 2．软硬件划分是软硬件协同设计的关键技术。软硬件划分是指在设计系统时，确定各个模块是采取软件还是硬件的实现方式。软件实现的特点：灵活、成本低；而硬件实现的特点：性能高，但同时成本也增高。如何兼顾系统的速度和成本，达到成本和性能的最佳结合，是软硬件划分所要解决的问题。应遵循的基本原则是高速、低功耗由硬件实现；多品种、小批量由软件对应；处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。划分的方法应该从两方面着手：面向软件：从软件到硬件满足时序要求；面向硬件：从硬件到软件降低成本。 3．软硬件并行综合与IC设计综合相比，增加了许多约束和限制，其中最大的问题就是SoC与众多IP核之间接口的综合。软硬件并行仿真就是用软件控制硬件的仿真，在系统级芯片上，硬件和软件之间密切相关，但在系统做出之前，软硬件之间的相互作用通常很难精确测出，一些设计错误也不会明显表示出来。为了解决这个问题，必须采用软硬件协同验证技术。软硬件的协同仿真始终是设计中的关键，需利用相应的EDA工具采取先进的协同仿真技术，才能达到协同仿真的目的。 软硬件协同设计与传统的单流程设计有着本质的区别，其软件和硬件的设计不再是两个独立的设计单元，在设计之初便相互交织在一起，相互提供设计平台，相互作用，真正实现二者的并行性。不管是整体设计还是局部设计，并行的思想始终贯穿于设计之中，这也是软硬件协同设计技术的核心。协同设计流程中目前解决较好的是算法级和系统级的行为描述及模拟，难点在于软硬件划分。在硬件流程中，高级层次的行为描述与RTL级之间的接口，尚待完善。 与此同时EDA环境也将不断进步，以适应SOC开发的需要，一些新兴的EDA公司还提供出了重点发展C++语言、标准单元库和网上设计服务等新的发展策略，并且开发基于C++语言的硬件描述工具，采用C++为设计语言，不但运行速度比HDL快2"3个数量级，而且可为IP供应商提供知识产权保护，这些又为SOC技术的发展注入了新的活力。 三、结论与展望 本文作者创新点：目前的SOC的主要研究方法是将现有的器件和电路模块进行集成化，将来会根据系统集成的特点，将传感器、执行器嵌入系统之中，这样SOC将不断走向高性能、高功能，在模块融合的基础上产生新的结构，以便产生高附加价值。 SOC设计的热点将集中在两个方面：一个是采用硬件/ 软件协调设计的高抽象度设计与验证体系；另一方面是与深亚微米对应的CAD体系；前者帮助我们克服复杂性的危机，后者为进入微细化时代解决好功耗、布线延迟、可靠性等物理量的挑战所必须。这些设计工具与设计人员的创造力结合，将会不断地推进系统LSI（大规模集成电路）的进步，满足社会发展的需要。 |
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