（通信与信息系统专业论文）soc软硬件协同验证平台监控系统设计与实现及综合测试.pdf

摘要 摘要 为满足嵌入式系统市场对于芯片成本、面积、功耗和上市时问( t i m et o m a r k e t ) 的要求，片上系统( s o c ：s y s t e m o n - c h i p ) 已经成为一个必不可少的解 决办法。片上系统技术通过知识产权核( i p ：i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的复用提高生 产率，缩短产品上市时间，同时也显著提高了芯片的集成度。随着片上系统规模 的不断扩大和功能的不断增加，对片上系统的功能正确性、速度、功耗、可靠性 等方面都提出更加严格的要求。其中，保证设计功能正确是最基本的一项要求。 目前功能验证己占整个设计资源的7 0 左右，而设计验证则占据验证工作的绝大 部分。设计验证是集成电路( i c ：i n t e g r a t e dc k c u i t ) 设计中不可或缺的重要组成 部分主要用于判别设计规范和设计实现之间是否保持一致，已成为集成电路整 个设计流程中开销最大的工作。为解决设计验证的问题，业界提出不少设计验证 的方法，在一定程度上缓解了设计验证的问题，如何更好的利用现有技术和工具 来建立验证环境是业界普遍关注的焦点和工作的重点。 本论文的研究内容来源于电子科技大学电子科学技术研究院项目“s o c 软硬件协同验证平台”。本论文主要围绕s o c 软硬件协同验证平台监控系统设计 及其实现方法开展研究与讨论，同时介绍了在对s o c 软硬件协同验证平台进行测 试过程中本文作者所做的“f p ( 3 a 阵列互连线数量、连通性和数据速率测试”和 “f p o a 与i o 槽的互连线数量、连通性和数据速率测试”两个测试项目方面的 工作。 本论文的主要研究工作及创新之处可概括如下： 1 设计并实现一种与s o c 软硬件协同验证平台相匹配的电源监控方案 s o a v ( s u p e ro p e na r c h i t e c t u r ev e r i f i c a t i o n ) 电源监控系统，对s o c 软 硬件协同验证平台上主要芯片的供电电压范围进行实时监测和控制，确 保整个验证平台能够安全、稳定、可靠的运行。 2 采用f p g a 作为主控芯片，设计并实现一种与s o c 软硬件协同验证平台 相匹配的温度监控方案一一s o a v 温度监控系统，对s a c 软硬件协同验 证平台上主要芯片的温度变化情况进行实时监测，异常情况下，及时予 以保护。 3 设计并实现8 组用于测试f p g a 阵列之间互连情况的测试用例。 摘要 4 设计并实现1 2 组用于测试f p g a 与i o 槽之间互连情况的测试用例。 关键词：s o c ，软硬件协同验证，电源监控，温度监控，测试 i i a b s t r a c t i no r d e tt om e e tt h en e e do fe m b e d d e ds y s t e mm a r k e tf o rc o s t , a r e a , p o w e r d i s s i p a t i o na n dt i m et 0m a r k e t s o c ( s y s t e mo nc h i p ) h a sb e c o m ea na b s o l u t e l y n e c e s s a r ys o l u t i o n r e l a t i v et ol r a d i t i o n a la s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) ，s o ci m p r o v e st h ec o m p l e x i t yr e m a r k a b l y , s h o r t e n st h et i m et om a r k e ta n d r e d u c e st h ed e s i g ne y c l eb a s e do ni p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) c o r er e u s i n g w i t ht h e e n l a r g i n go f s c a l ea n di n c r e a s i n go f f u n c t i o n ，t h e r ea r em o r es t r i c tr e q u i r e m e n t st os o c d e s i g n i n go nf u n c t i o nc o l t e c t n e s s ，s p e e d ，p o w e rd i s s i p a t i o na n dr e l i a b i l i t ye t c a m o n g t h e s er e q u i r e m e n t s ，f u n c t i o nc o r l c t l l e s si st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r a tt h ep r e s e n t t i m e ，a b o u t7 0 o f d e s i g ne f f o r ti sd e d i c a t e dt ot h ef i m c t i o nv e r i f i c a t i o n ，w h i l ed e s i g n v e r i f i c a t i o nt a k e sm o r et h a nh a l f o f t h ew h o l ev e r i f i c a t i o nw o r k s d e s i g nv e r i f i c a t i o ni s v e r yi m p o r t a n tb u tm o s tc o s ti nt h es o cd e s i g nf l o w v e f i f i c m i n gt h ec o n s i s t e n c yo f t h e i m p l e m e n t a t i o nw i 也d e s i g ns p e c i f i c a t i o n i st h em a i nf i m c t i o no ft h ed e s i g n v e r i f i c a t i o n ho r d e rt od e 址w i t ht h i sp r o b l e m m a r r yv e d f i c a t i n um e t h o d sa r e p r e s e n t e db yv e r i f i c a t i o ne x p e r t s t oac e r t a i ne x t e n t , s o m em e t h o d sa l l e v i a t et h e p r e s s u r eo fv e r i f i c a t i o n ，b u t b r c a k t h r o u g ho nv e r i f i c a t i o ni sc o m i n gs ow eh a v et o i n t e g r a t et h e s em e t h o d st om a k et h ev e r i f i c a t i o ns m o o t h e ra tt h ep r e s e n t t h ew o r ko ft h i sp a p e ri sc o m i n gf r o mt h ep r o j e c to fe l e c t r o n i cs c i e n c e t e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t e ，u n l v e r s i t yo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a s o cs o f t w a r e - h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o np l a t f o r m 1 1 d sp a p e rg i v e se m p h a s i s t ot h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o cs o f t w a r e h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o np l a t f o r m m o n l t o r - c o n l r o l s y s t e m s i m u l t a n e o u s l y , t h e i n t e r c o n n e c f i o n t e s t so fs o c s o r w a r c - h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h ef p g af a b r i c si n t c r c o n n e c t i o nt e s t a n df p o a w i t hy os l o t si n t e r c o n n e c t i o nt e s t , a r ep r e s e n t e d t h em a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i o na r ef o l l o w i n g s ： 1 a i m e da tt h es o cs o f t w a r e - h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h i sp a p e r f i r s t l yd e s i g n st h es p e c i a lp o w e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gp l a n s o a v ( s u p e ro p e na r c h i t e c t u r ev e r i f i c a t i o n ) p o w e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e ma n di m p l e m e n t si t t h i sp l a ni st om o n i t o rt h er a n g eo fp l a t f o r m s a b s t r a c t v o l t a g e sf o ri n s u r i n gt h ew h o l ep l a t f o r ms a f e l y , s t a b l ya n dr e l i a b l yr u n n i n g 2 a i m e da tt h es o cs o f t w a r e - h a r d w a r ec o v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，u s i n gf p g a a sm o t h e rc o n t r o lc h i p ，t h i sp a p e rs e c o n d l yd e s i g n st h es p e c i a lt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gp l a n s o a vt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a n di m p l e m e n t si t t 1 1 i s p l a ni s t om o n i t o rt h er a n g eo fm a i nc h i p s t e m p e r a t u r e sf o ri n s u r i n gt h em a i nc h i p s s a f e t yo f p l a t f o r m 3 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g8g r o u p st e s tc a s e su s e dt ov e r i f yf p g a s i n t e r e o n n e c t i o n s 4 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g1 2g r o u p st e s tc , l s e su s e dt ov e i l f yf p g a sa n d i os l o t si n t e m o r m e e t i o n s k e y w o r d s ：s o c ，s o f t w a r e - h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o n ，p o w e rm o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g ，t e s t 圈目录 图1 一l 图1 - 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 。2 图2 3 图2 4 网2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 。1 2 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 一1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图目录 摩尔定律1 4 1 1 s o c 的t o p d o w n 设计方法流程4 s o c 相关理论和技术5 s o c 在信息社会中的战略意义【5 7 b e e 系统1 3 a p t i x 的m p 4 c f 验证系统1 4 h a p s 系统1 4 s o c 软硬件协同验证平台的应用：1 5 s o a v 主机子系统结构框图。1 7 f p g a 阵列模块的拓扑结构1 8 s o a v 主机子系统板的物理布局1 9 时钟树单元2 0 全局时钟输入与时钟树的连接2 1 主控模块f p g a 结构框图2 2 s o a v 主机子系统供电2 3 多个验证平台互连用于大规模仿真验证2 4 板间通过i o 互连和r o e k e t l o 互连2 4 电压传感器和保护电路2 6 p o w r l 2 0 8 结构框图2 8 p a c d e s i g n e r 软件开发环境2 9 p o w r l 2 0 8 设计示意图3 0 p o w r l 2 0 8 电压监控原理图：3 1 p o w r l 2 0 8 模拟电压设置3 5 p o w r l 2 0 8 模拟电压输入3 6 p o w r l 2 0 8h v o u t 输出引脚设置，3 8 p o w r l 2 0 8h v o u t 输出3 9 p o w r l 2 0 8o u t 输出引脚定义3 9 p o w r l 2 0 9o u t 输出引脚设置4 0 p o w r l 2 0 8 时钟和定时器设置4 0 p o w r l 2 0 8 时钟和定时器逻辑4 1 p o w r l 2 0 8 指令序列设计4 4 p o w r l 2 0 8 指令序列o u t 指令设计。“ p o w r l 2 0 8 指令序列w a i tf o r 指令设计4 5 p o w r l 2 0 8 指令序列布尔表达式设计4 5 温度传感器和保护电路一5 0 d s l 8 8 2 0 温度传感器外形：5 1 v 图目录 图4 。3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 。7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 一1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图5 - 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 - 5 d s l8 8 2 0 温度传感器结构框图 d s l 8 8 2 0 温度传感器内部存储器结构框图 d s l 8 8 2 0 测温原理 d s l 8 8 2 0 温度传感器初始化时序 d s l 8 8 2 0 温度传感器读写时序o s o a v 温度监控系统顶层设计 d s l 8 8 2 0 顶层模块( d s l 8 b 2 0t o 口) 命令序列子模块( i n s t )_seq 字节读写子模块( w rb y t c ) 波形产生子模块( w rr dr e s e te n t l ) 数据输入复用模块( m u x a q i n ) 数据输出解复用模块( d m u xa c to u t ) 五片温度传感器轮询 温度传感器复位波形和发送0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 数据波形 温度传感器复位脉冲和发送命令、读取温度波形 v 6 0 0 0 之间f p g a 连通性测试用例框图 v p 7 0 - - v 6 0 0 0 之间f p g a 连通性测试用例框图 f p g a 阵列之间连通性测试数据图 f p g a 与i o 槽之间连通性测试用例框图 f p g a 与i o 槽之间连通性测试数据图一 觇弱弱巧巧卯鼹凹矾&j甜岱的嘶卯阳订佗犸 表目录 表2 1 表2 2 表3 1 表3 - 2 表3 3 表3 - 4 表3 ，5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 1 0 表3 - 1 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 - 5 表4 6 表4 7 表5 1 表5 2 表目录 s o c 软硬件协同验证平台与其他商用s o c 验证平台的比较 各f p g a 功能分配 p o w r l 2 0 8 引脚电压范围 9 j v i r t e x i ip r 0 7 0 电压要求 v i r t e x i ip r 0 7 0 电流要求 v i r t e x - i ip r 0 7 0 上电电流要求 1 6 一1 8 。2 7 一3 2 3 2 一3 2 v i r t e x - i i6 0 0 0 电压要求3 2 v h - t e x - i i6 0 0 0 电流耍求3 3 v i r t e x 1 1 6 0 0 0 上电电流要求一 l d o 芯片特性 i s p p a c - p o w r l 2 0 8 输入引脚设置 i s p p a c o - p o w r l 2 0 8 输出引脚设置 i s p p a c - p o w r l 2 0 8 内部c p l d 指令序列 d s l 8 8 2 0 顶层模块( d s l 8 b 2 0 引脚。top) d s l 8 8 2 0 命令流程。 d s l 8 8 2 0 命令序列子模块( i n s t _ s c q ) 引脚。 d s l g b 2 0 字节读写子模块( w r _ b y t e ) 引脚一 3 3 3 4 。3 7 4 l 5 8 5 9 d s l 8 8 2 0 波形产生子模块( w r _ r dr e s e tc n t l ) 引脚 d s l g b 2 0 数据输入复用模块( m u x _ d q _ i n ) 引脚一 d s l g b 2 0 数据输出解复用模块( d m u x _ d q _ o u t ) 引脚 测试设备。 测试软件 x 。6 0 。6 l 一6 3 6 4 。6 5 6 8 6 8 符号与缩略语说明 a r m a s i c a s s p b e e c m o s c p l d d u t d r a m d s l 8 8 2 0 e d a f p c b f p g a f p i c l m g s i h a p s h d l h d t v i c i p i s l d o l s i m s i o e m p d a p o r p o w r l 2 0 8 r t d r t l s o a v s o c s s i s t b v l s i v s i a 符号与缩略语说明 a d v n n c e dr i s cm a c h i n e a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 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 b e r k e l e ye m u l a t i o ne n g i n e c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g - cd e v i c e d e v i c eu n d e rt e s t d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r v d s l 8 8 2 0p r o g r a m m a b l er e s o l u t i o n1 - w i r ed i g i t a lt h e r m o m e t e r e 1 e c r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n f i e l dp r o g r a m m a b l ec i r c u i tb n a r d f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f i e l dp r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t g i g as c a l ei n t e g r a t i o n h a r d ia s i ep r o t o t y p i n gs y s t e m h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e h i 吐d e f r u i t i o nt e l e v i s i o n i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y h a t e g r a t e ds y s t e m l o wd r o p o u t l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n m e d i l l ms c a l ei n t e g r a t i o n o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t p o w e ro nr e s e t l a t t i c ei s p p a c 瞿p o w r l 2 0 8 r e s i s t a n c et h e r m o m e t e rd e t e c t o r r e g i s t e rt r a l l s f e rl e v e l s u p e ro p e n a r c h i t e c t u r ev e d f i c a t i o n s y s t e mo nc h i p s m a l ls c a l ei n t e g r a t i o n s e t t o p b o x v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l f i a n c e 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：幺纽簦瞧 日期：p 占年f , 9 2 i 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名。名磁亟导师签名： 日期：加6 认啊 年y 月z 6 日 第一章引言 第一章引言 1 1 微电子技术的发展趋势 微电子技术是上个世纪以来发展最为迅速的高新技术。1 9 4 7 年美国贝尔实验 室的j o h nb a r d e e n ，w a i t e rhb r a t t a i n 和w d l i a ms h n c k l e y 发明了世界上第一只晶 体三极管，并因此获得1 9 5 6 年度诺贝尔物理学奖【l 】，使电子技术得以向小型化方 向迅速发展。1 9 5 8 年9 月1 2 日美国德克萨斯仪器公司( t d 工程师j a c kk i l b y 发明出世界上第一颗集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 【2 j 。1 9 6 5 年4 月美国仙童 ( f a i r c h i l d ) 半导体公司的g o r d o n e m o o r e 提出了著名的摩尔定律口1 ( 见图1 1 ) ， 由此拉开了集成电路高速发展的序幕。 图1 - 1 摩尔定律” 半个多世纪以来，i c 产业不断发展壮大。从整个半导体产业发展来看，垂直 分工和水平整合是整个半导体产业发展最明显的标志。从6 0 年代开始，半导体产 业共经历了三次变革。第一次变革是微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 与存储器 ( m e m o r y ) 的诞生；其中产业的演变是由系统公司独揽系统与i c 设计的垂直整 合时代，转变成系统公司与i c 公司的分业体制。第二次变革是a s i c ( a p p l i c a t i o n 电子科技大学硕士学位论文 s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ，专用集成电路) 与a s s p ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i cs t a n d a r d p r o d u c t ，专用标准产品) 的出现，而其中产业主要的特征为门阵列( g a t e a r r a y ) 与标准电路单元( s t a n d a r dc e l l ) 设计技术的成熟与i c 设计公司的出现。具体表 现为晶圆专业代工厂商( f o u n d a r y ) ( 如台积电) 的出现和无晶圆厂设计公司 ( f a b l e s s ) 的出现。当前由于消费类电子产品、通讯产品成为市场的热点，并且 大约半年左右就更新换代一次，这就需要芯片有更多的功能、更低的价格和更短 的上市时间。在这种情况下，带来第三次变革：s o c ( s y s t e m o n c h i p ，片上系统) 的出现和i p ( i n t e n e c t u a l p r o p e r t y ，知识产权核) 的出现，s o c 技术应运而生。 1 2s o c 是微电子技术发展的必然 12 1s 0 0 技术 s o c 设计技术始丁2 0 世纪9 0 年代中期，随着半导体工艺技术的发展，l c 设 计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，s o c 正是在集成电路向集成系统 ( i s ：i n t e g r a t e ds y s t e m ) 转变的大方向下产生的。由于s o c 可以充分利用已有的 设计积累，显著提高a s i c 设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术 界的关注。 虽然s o c 一词早己出现，但是到底什么是s o c 则有各种不同的说法。在经过 了多年的争论后，专家们就s o c 的定义达成了一致意见。这个定义虽然不足非常 严格，但明确的表明了s o c 的特征： 1 实现复杂系统功能的v l s i ( 超大规模集成电路) ； 2 采用超深亚微米工艺技术； 3 使用一个以上嵌入式c p u 数字信号处理器( d s p ) ： 4外部可以对芯片进行编程； 5 主要采用第三方m 进行设计。 从上述s o c 的特征来看，s o c 中包含了微处理器，微控制器、存储器以及其他 专用功能逻辑，但并不是包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑的芯片 就是s o c 。s o c 技术被广泛认同的根本原因，并不在于s o c 可以集成多少个晶体 管，而在于s o c 可以用较短时间被设计出来。这是s o c 的主要价值所在缩短 产品的上市周期。因此，s o c 更合理的定义为：s o c 是在一个芯片上由于广泛使 用预定制模块口而得以快速开发的集成电路。从设计上来说，s o c 就是一个通过 第一章引言 设计复用达到高生产率的软硬件协同设计的过程。从方法学的角度看，s o c 是一 套基于大规模集成电路的设计方法学，包括i p 核可复用设计觑4 试方法及接r 规 范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片验证和测试方法学。s o c 可以有 效降低电子信息系统产品的成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工 业界将普遍采用的最主要产品开发方式。 1 2 2s o c 设计流程 s o c 是一个由复杂的硬件功能和软件体系构成的系统，为加快系统设计进度， 硬件设计和软件设计交织在一起：为缩短硬件设计的周期，提高物理设计的可预 见性，逻辑设计与物理设计同步进行。 s o c 设计流程分为自底向上( b o t t o m - u p ) 和自顶向下( t o p d o w n ) 的设计 方法。传统的系统设计一般采用自底向上的设计方法，这种设计方法在系统功能 划分完成后，利用所选择的元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块， 然后将各功能模块按积木化原则连接起来构成更大的功能模块，直到构成整个系 统，完成系统的硬件设计。用自底向上设计方法进行系统设计时，整个系统的功 能验证要在所有底层模块设计完成之后才能进行，一旦不满足设计要求，所有底 层模块可能需要重新设计，延长了设计时间。这种传统的设计方法已不适应当今 设计大规模乃至超大规模集成电路的要求，一般只用于设计模拟集成电路和简单 的数字集成电路。 为了提高产品研发的效率，减少投资风险，现代设计方法采用了由抽象到具 体、自顶向下的设计。设计者先从整体上规划系统的功能和性能，再分解为规模 较小、功能简单的局部模块，逐步细化到物理实现。t o p d o w n 设计采用系统早 期仿真，而系统的物理实现是在设计的结束，各个层次的模拟和仿真均在以计算 机为平台的虚拟样机上进行，从而有效的降低研发成本，缩短开发周期，大大节 省设计的人力和物力。t o p d o w n 的设计流程有利于设计的分工和协作，符合集 成电路的发展趋势，其设计流程如图1 - 2 所示。 由于s o c 的设计是基于讲重用的设计，因此要涉及到m 的开发和i p 的集成。 i p 集成商通常按照右侧的流程进行s o c 的设计与验证。m 开发商与集成商之间交 换的数据、文档等文件资料的标准化或规范化就是v s i a ( v i r t u a js o c k e ti n t e r f a c e a l l i a n c e ，虚拟插槽接口联盟) 所涉及的领域。 电子科技大学硕士学位论文 图i 2s o c 的t o p - d o w n 设计方法流程 图1 - 2 中，行为级模型是指用高级语言结构实现设计的算法。行为级又称为 算法级，这一层次对系统功能的描述是抽象的算法模型，或者是控制流图和数据 流图。 寄存器传输级( r t l 级) 设计构造r t l 模型，r t l 模型就是描述在寄存器间 数据的流动，以及数据是如何处理的。 逻辑综合把r t l 描述转换为门级模型，门级模型就是逻辑门的构造以及门的 4 第一章引言 互连。门级是数字系统的主要层次。门级设计中的基本单元是与门、或门、q ej 3 、 三态门等各种门电路，以及少量的触发器。门电路的互连方式构成了门级的结构 描述【5 。 1 2 3s o c 相关理论和技术 s o c 的出现是一种概念上的突破，它不仅促成了集成电路产业的新一轮分工 和邛产业的形成，同时在理论和技术方面也带来了诸多研究课题，如图l 一3 所示。 s o ( 2 设计 的理 论与 技术 r 基于i p 的系统设计技术 设计重用技术 多系统验证与测试技术 寻蠹蓑蓑霁用的设计技术 li p 设计技术 接口综合技术 r 软硬件协同设计与验证技术 接口综合技术 l 。 软硬件协同设计技术基于硬件的软件结构生成 lr 软硬件划分 l 面向软件的多处理单元硬件结构设训形式验证技术 l 综合技术 r 时延驱动逻辑设计技术 深亚微米级电路设计技术时序综合技术 l l 低压低功耗设计技术 图1 - 3s o c 相关理论和技术 1 设计重用技术 在真实产业实践和理论研究中，基于口( i p ：i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 重用 的s o c 设计还会面临很多问题。比如，s o c 的系统级设计过程中需要考虑m 的选用、多个i p 在系统中的验证以及测试问题，系统集成的过程中接口综合 的问题等。另外还有i p 本身的面向重用设计技术，比如，由于整个系统规模 巨大给测试带来很大的困难，因此在i p 设计过程中就要考虑的可测试性问题 等等。 2 ，软硬件协同设计技术 s o c 与一般集成电路的最大不同之处就在于嵌入式软件的介入。因此在 软，硬件划分之前，首先需要在足够抽象的层次上( 如，功能级( f u n c t i o n l e v e l ) 或者行为级( b e h a v i o rl e v e l ) ) 进行软硬件协同设计。具体说来，它又可分 电子科技大学硕士学位论文 为“软硬件协同设计与验证技术”、“基于硬件的软件结构生成”、“面向软件 的多处理单元硬件结构设计”等。 3 深亚微米级电路设计技术 s o c 通常设计规模庞大，因此十分依赖于深亚微米加工技术。深亚微米 工艺给电路设计带来一系列前所未有的问题。首先是时序收敛问题( t i m i n g c l o s u r e ) 。原来影响电路时序的因素主要来自预先可估计的器件延时，而进 入到深亚微米以后，连线延时已经代替器件延时在整个延时中占了5 0 以上 的比例，然而连线只有在进行后端的物理设计后才能准确知道，传统的前端 设计与后端设计分离的设计方法由于设计迭代过程不收敛而导致设计失败。 深亚微米设计中解决该问题的方法就是把前端的逻辑设计与后端的物理设计 联合起来同时进行，并由此而产生了“时延驱动逻辑设计技术”和“时序综 合技术”的课题研究。另外在s o c 进入深亚微米设计阶段及纳米阶段后，由 于单元面积上晶体管数越来越多，密度越来越大，芯片散热就越来越多，从 而有可能导致芯片被烧掉，因此低压低功耗的设计技术也成为深亚微米设计 的一个重要问题。深亚微米设计不是s o c 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 设计中显得更为突出。 1 2 4s o g 面临的挑战 随着半导体技术的进步和市场需求的不断推动，人们已经可以把越来越多的 线路或功能模块同时设计在一颗芯片上，构成一块s o c 。芯片级的系统集成有体 积小和功耗低，可靠性、稳定性和抗干扰性强，信号的传输时延少，系统可以运 行在更高的时钟频率上等一系列的优点。但是s o c 电路规模大，单个芯片上品体 管数越来越多，芯片中不同功能的模块越来越多，各模块之间的通讯和同步以及 越来越多的管脚和供电端口数等等问题大大增加了芯片设计的复杂度。 s o c 在提升产品性能和质量的同时也为今天的芯片设计工程师带来前所未有 的设计挑战：设计规模以及芯片复杂度迅速提升、工艺技术越来越精细、成本和 风险越来越高、设计周期进一步缩短、更新换代不断加快等。s o c 的验证已经构 成当前s o c 设计的瓶颈，而验证的好坏则直接影响产品的上市时间，是设计公司 存亡的关键因素之一。 第一章引言 1 2 5s o c 的战略意义 集成电路芯片设计是i c 产业链的龙头，而s o c 集中了芯片设计的先进技术。 s o c 缩短上市时间，降低成本，已经成为很流行的系统级设计技术。特别是进入 二十一世纪，数字技术和网络技术阻及多媒体技术的融合，协议和标准及内容( 包 括安全信息) 的融合己成为不可抗拒的潮流，s o c 的重要战略地位已越来越被世 界各国所重视。世界i t 业界都认为，它是推动本世纪信息社会的互联、互通的不 可或缺的源泉，是当今半导体产业的发展主流。它对整个人类政治、经济、文化 等物质和精神生活的影响是任何其他技术不可比拟的。s o c 在信息社会中战略意 义如图1 _ 4 所示。 i 矮素猫i i 吾 伍莉甄丽蕊玎瓦萌夏稚n 百蔽 s o c 设计技术i 二= 。 奄垂萝尹j ；：，】皇堂1 ( 芯片+ 救件) l 皇塑 、数字技术、网络技术u ：韵lr 二2 = 半 j 融合亡= 匝塑画口圈 i 臣西；f 一 【l i p p h o n s l 曩摹霎翟爹统等 l 数码相机 j p d a f | 淼等 ii 家庭网络： ：l 家用网关 | | 蓑黎， 圈l - 4s o c 在信息社会中的战略意义”i 1 3s o o 软硬件协同验证 3 c 结 a 口 电 子 产 口 h h 技 术 软、硬件协同设计是s o c 设计的关键。这方面发展的理论体系包括系统任务 描述( s y s t e mt a s kd e s c r i p t i o n ) 、软硬件划分( h d w a 耐s o f h a r ep a r t i t i o n ) 、软硬 件协同设计( h a r d w a r c s o r w a r ec o - d e s i g n ) 和软硬件协同验证( h a r d w a r e s o r w a r e c o v e r i f i c a t i o n ) 等【6