（微电子学与固体电子学专业论文）soc中ip核质量评估标准的探讨与研究.pdf

摘要 s o c 是电子芯片系统发展的主要方向，它通过集成许多不同的i p 功能模块到单 一硅半导体芯片上，实现了系统功能的单芯片化。作为s o c 的核心组成部分，i p 的 质量是影响i p 集成的关键。一套行之有效的的i p 质量评估标准可以显著改善i p 的质 量，从而大大促进了s o c 产业的发展。 本论文围绕s o c 的i p 质量评估标准进行了系统、深入的探讨与研究，建立了i p 质量评估标准的整体概念，并详细讨论了影响i p 质量的细节要求。论文首先简述了 s o c 及i p 的设计验证等方面的基础知识，对基于i p 的s o c 的设计进行了探讨。在此 基础上提出了i p 所面临的标准问题并对i p 标准中较重要的几个方面进行了详细说 明。然后论文聚焦于i p 质量评估标准，从多个方面对该标准的可行性，客观性等进 行了论证，并阐述了标准的评估依据。论文最后结合虚拟插座接口联盟的质量i p 标准，采用实例和文字结合的形式对数字软核i p 的评估细节以及评估的作用、方法 等进行了论述。 本论文的研究工作有助于芯片业者更好的理解i p 质量评估标准的重要性及 其意义，能够帮助提升芯片业者应用质量i p 标准的能力。希望论文的研究工作能 为推广i p 质量评估标准在国内的应用起到积极的作用。 关键词：系统芯片知识产权质量评估标准虚拟插座接口联盟 a b s t r a c t a sad e v e l o p m e n to fe l e c t m n i cc 1 1 i ps y s t e m ，s o cc a nc a r r yo u ts y s t e mf i l n c t i o nb y i n t e g r a t i o no fm a n yd i 虢r e n tf h n c t i o i l a ir e u s a b l ei pc o r c st 0o n es i i i c o ns e l t i i c o n d u c t o r c h i p t h e i pq l l a l i 母i s t h ek c y t h a t i l l f l u e n c e s t h e i p i n t e g r a t i o n a i le m c i e m i p q m l i t y e v a l u a t i o ns t a l l d 砌、i nl e a dt os i g n i f i c 觚t l yi n l p r o v ei pq l l a l i 移粕dm ed e v e l o p m e mo f w h o l es o ci n d i l s t 妙 眦sp a p e ra i l i l sa td o m e s t i cs t a t i l so fi pr e u s i n g ，s m d i e s 趾dr e s e a r c h e so nm ei p q u a l 酊e v a l u a t i o n 咖d 捌t h o r o u g h l y ，b u i l d su pt 1 1 e r h o l ec o n c 印to fi pq u a l 时 e v a l u a t i o ns t a n d a r d a tf i r s t ，p a p e ri l l 协) d u c e st l l eb a s i cd e s i g na r i dv e r i f i c a t i o n t e c h o n o i o g yo f s o ca n di pc o r e s ，d i s c u s s e st h ed e s i 驴m e t h o do f s o c 筋m i t s 眦e 唧e c t s b 勰i co na b o v ew o r k ，p a p e rb r i n g sf o n v a r dt 1 1 es 咖d a r dp r o b l e mo fi p c o r e s ， 锄dt t l e ne x p l i c a t e saf e wi m p o n m ts t a n d a r do fi t a f t e ra b o v e ，m ep a p e rf o c u s e so nt 1 1 e i pq u a 王i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r d ，a r g 啪e n t sf 幻mm a n ya s p e c t sf o rp r o v et h ef e 嬲i b i l i t y 锄do b j e c t i v 酊o ft h i ss t a n d a r da n de x p o u n dt h ce v a l u a t i o nb 船i so f “ss t a i l d 棚i n d e t a i l a tl 硒t ，t h ep 印e fa d d r e s s e st l l em “h o d so fe v a l u a t i n gi pq u a l i t y 粕dt b e e f f i c i e n c yb yl l s i n g i p q i l a l 时啦柚d a r d c o m b i n e 诵t l lq u a l 时i pm e 证cw h i c h d e v e i o p e db yv s ia i i i a l l c e ，t h ep 印e rd e s c 曲e st 1 1 ed e t a i l so ft l l ed i g i t a li pc o r e e v a i u a t i n gb y 、】v r i t i n ge x p l a i na l l de x 锄p l e s 1 1 圮w o r ko f 咖d ya n dr e s e a r c ho ft h i sp a p c rc o u l dh e i pi ce n g i n e e r st ou n d e r s t a 】帕 t h ei m p o n a n c ea n dm e a 1 i n go fi pq l l a l i t ye v a l u a t i o n 姗d a r d ，c o n m b u t el oi m p r o v ei c e n g i n e c r s a b i l 时t o 印p l yq l l a l i t yi pm e t r i c f i r i a l l y ，丽s ht h er e s e a r c hw o r ko ft h i s p a p e rm i g h tp m m o t et l l ed o m e s t i cu s a g eo fi pq u a l i t ye v a l 眦t i o ns t a n ( i 砌d i i r i n gm e e v a l l l a t i o nd r o c e d u r eo fi pc o r e s k e y w o r d ： s o c i p q i l a l 毋e v a l 吼t i o ns 诅n d a r d v s i a 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包括为获得西安电子科技大学和 其他教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄盘监本人签名：盘监 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学的有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。( 保密论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：垄盘醒本人签名：盛盘龌 聊躲等裕 日期：2 丝。f ，兰望 日期：垦竺笪! ! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1s o c 与i p 自计算机诞生的半个多世纪以来，计算机发展主要经历了真空管、晶体管、 集成电路、微处理器等时代。集成电路的集成度越来越高，现在己发展到可以把 整个系统都集成在一个芯片之内。而目前绝大多数的整机系统均是采用印制电路 板( p c b ) 将各个芯片连接起来组成的，虽然芯片本身功耗小、速度快，但由于印制 电路板所带来的连线延时和噪声却大大地降低了系统性能，成为系统发展的瓶颈。 在这样的技术推动与市场需求下就出现了s o c ( s ”t e m o n c h i p ；系统芯片) 。 s o c 是将系统的全部功能模块集成到单一半导体芯片上，或者说在单一硅芯片 上集成了数字电路、模拟电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器 等的系统级芯片。s o c 能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i 0 等功能。从技术层面看，系统级芯片技术是超大规模集成电路哪l s i ) 发展的必然 趋势和主流，它以超深亚微米( v e r yd e 印s u b m i c r o n ，v d s m ) 工艺和i p 复用( i p r e u s e ) 技术为支撑。其中i p ( i m e l l e c t u a lp r o p e r t y ；知识产权) 核的设计和制造是 s o c 技术中最为关键的部分。可能基于i p 完成s o c 设计的最早报道是1 9 9 5 年l s i l o 酉c 公司为s o n y 公司所设计的s o c 【2 j 。 s o c 大致可分为三类【3 j ：1 ) 可配置片上系统芯片( c s o c ) ，当| j 仍以学术研究 机构为主导，注重体系结构探索性工作；2 ) 片上可编程系统芯片( s o p c ) ，以f p g a 厂商和科研机构为主导，适合多品种少批量产品开发；3 ) 专用集成系统芯片( a s i c s o c ) ，以微处理器和芯片设计公司为主导，追求良好的性价比，适合大批量规模 生产。 i p 也称为系统宏单元( s y s t e m i e v e lm a c r o ) 或虚拟器件( v i m l a lc o m p o n e n t s ) ，是 将一些在数字或模拟电路中常用的功能模块，如仲裁器、异步总线收发器、s d r a m 控制器，p c i 接口等设计成可修改参数的，并且其功能是经过验证的一体化的电路 模块1 4 j 。这些经过封装和验证的模块可以很方便的提供给其他用户直接调用，大大 减轻了设计者的负担，避免重复劳动，并提高了工作的效率。随着s o c 开发周期 的缩短和开发成本的降低，以及可编程器件的规模越来越大，设计越来越复杂，i p 在s o c 系统设计中的地位也越来越重要。 i p 内核可以在不同的硬件描述级实现，大致分为【5 】：软核、固核和硬核。这 种分类主要依据产品交付的方式，而这三种i p 内核实现方法也各具特色。软核通 2 s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 常以可综合的h d l 提供，因此具有较高的灵活性，并与具体的实现工艺无关， 其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。由于软核是以源代码的形式提 供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。硬核则以 经过完全的布局布线的网表形式提供，这种硬核既具有可预见性，同时还可以针 对特定工艺或购买商进行功耗和尺寸上的优化。尽管硬核由于缺乏灵活性而致使 其可移植性较差，但由于无须提供寄存器转移级( r t l ) 文件，因而更易于实现i p 保护。固核则是软核和硬核的折衷，由i 汀l 的描述和可综合的网表组成。 1 2 论文主题的确定 随着s o c 系统芯片的发展，i p 资源复用己逐渐成为现代集成电路设计的重要 手段。然而随之而来的是需要开发大量新颖的基于i p 复用的相应的设计工具和集 成环境，以提高设计能力，实现设计流程的自动化。这就需要建立可重用的设计 环境，并采用统一的重用标准和相同的设计流程，以便于管理相应的e d a 工具及 其产生的数据文件，提高i p 设计的可重用性。另一方面，从i p 模块设计的过程来 看，i p 的设计包括了描述、布图、实现、确认、集成和验证一系列工作，同时为 了保持设计的高质量就需要有好的h d l 编码、测试计划和文档等。可以看出i p 模块的设计和重用过程中需要进行大量的设计数据和文档的交换。因此，建立统 一的i p 重用标准，最大限度的利用已有的i p 模块设计是很有必要的。同样，在进 行s o c 系统集成时，为了使i p 模块易于访问和易于集成，其设计必须遵循一定的 规范和准则。因此，i p 设计的标准化问题也就显得尤为迫切。 i p 标准的问题包括了诸如：质量标准、接口标准、e d a 工具接口标准等。其 中一套m 品质标准是必不可少的。就像在一般工业中i s 0 9 0 0 0 所起的作用一样， 在评估用于芯片的i p 品质过程中贯彻一套行之有效的m 品质标准将是具有重要意 义的i “。i p 质量评估标准涵盖了i p 集成、设计及验证各方面的质量问题，通过这 一整套的质量评估可以确保：1 ) 使得s o c 集成方能更好、更快的对所需要的i p 进行横向比较和纵向评估，以便于更有效的将i p 集成到s o c 系统中去；2 ) 帮助 i p 的开发者更高效的设计出复用性强的m 来满足市场需要，同时也为m 供应商提 供了很好的宣传介绍自己产品的工具。总之，一套好的i p 质量评估标准对推动s o c 工业的发展起到至关重要的作用。芯片业者若缺乏对i p 质量评估标准的认识，会 对i p 的质量评估采取主观的方法，这将严重阻碍i p 的研发和交流。 基于以上分析，本论文针对国内i p 复用的现状，希望通过对i p 质量评估标 准的系统、深入的探讨与研究，建立i p 质量评估标准的整体概念，帮助芯片业者 更好的理解i p 质量评估标准的重要性及其意义，帮助提升芯片业者应用质量i p 标准的能力。希望论文的研究工作能为推广i p 质量评估标准在国内的应用起到积 第一章绪论 极的作用。 1 3 国外标准组织介绍及国内标准发展状况 l p 标准组织的建立，是国际大公司为协调s o c 设计和使用过程中遇到的一系 列问题，并以这些大公司的现有技术和未来的市场为服务对象，自发组成的联盟 p j 。除了为人所熟知的v s i 联盟之外，随着s o c i p 产业的发展出现了专业性更强 的组织如o c p i p 和s p i r i t 。鉴于v s i a 在i p 标准开发和制定上的全面性和权 威性，o c p i p 接口标准在业界的广泛采用及s p 瓜i t 日益受到的关注。以下分 别对这三家组织进行简要的介绍。此外，国内标准组织也处在发展当中，这里也 作相应的介绍。 1 3 1 虚拟插座接口联盟 v s n ( v i n u a ls o c k e ti n t e 墒c ea l l i a i l c e ；虚拟插座接口联盟) 成立于1 9 9 6 年9 月，现在大约有7 0 家成员，其目的是为系统芯片工业建立统一的技术规范和标准， 说明并推荐一套硬件和软件的接口、格式，以及设计应用，以满足高有效、高精 度集成、验证、单片多模块仿真等要求。v s i a 是以工作组的形式开展工作，陆续 成立了模拟混合信号、功能验证、依靠硬件的软件( h a r d w a r e d e p e n d e ms o f t 、) l 脚e ) 、 实现验证、m 保护、与制造相关的测试、片上总线、系统级设计、虚拟元件质量、 基于平台的设计和虚拟元件转让，共1 1 个开发工作组【刀。这些工作组为s o c i p 工 业界制定的标准规范文件从类型上可以分为四类：i p 交付使用文档规范标准，文 件，i p 复用设计标准、i p 质量评估标准、i p 知识产权保护等一共有二十几个，这 些标准规范得到了工业界的广泛认可。现在的v s i a 标准组织以四个支柱( p i l l 盯) 组为核心开展工作【引。这四个p i l l a r 分别是i p 质量p i l l a r 、i p 保护p i l l a r 、i p 基础 设施p i l l a r 及由原来的工作组形成的r & dp i l l a r 。每个p i l l a r 负责与i p 集成和复用 相关的技术和商业上的解决方案，v s i a 为每个p i l l 盯提供市场和管理方面的支持。 v s n 把其使命重新定义为通过提供前沿的商业和技术上的解决方案以及洞察口 开发、集成和重用技术，极大地提高s o c 设计团体的生产力。 1 3 20 c p i p 组织 0 c p i p 是另一个值得关注的i p 组织【刀。o c p i p 成立于2 0 0 1 年1 2 月，是一个非 盈利性的联盟，最初的成员有s o m c s 公司、n o k i a ，t e x a si n s t m m e t s ，m i p s 1 k l l l l o l o 百e s ，u f 正t e dm i c r o e l e c 咖i i i c sc o 删i 。联盟以s o n i c s 公司的o c p ( o p e n 4 s o c 中i p 核质晕评估标准的探讨与研究 c o r cp r o t o c 0 1 ) 接口规范为基础，目的是为即插即用的s o c 设计提供一套完整的通 用标准i p 插座接口，把o c p 发展成接口标准。 1 3 3s p i r j t 组织 s p i 砌t 是专门从事i p 数据打包与集成自动化的组织【7 】，成立于2 0 0 3 年6 月，发 起成员有a i t m ，b e a c hs o l u t i o l l s ，c a d e n c ed e s i g ns y s t 锄si n c ，m e m o rg r a p h i c s ， r o y a lp h i l i p se l e c t r o n i c s ， s t m i c m e l e c 订o i l i c s 趾ds y n o p s y si n c 。s p i r j t 致力于在 两个领域建立标准：i p 元数据描述标准，及与相应e d a 工具的a p i ，从而实现i p 文 档和数据自动输入到应用环境中。s p i r j t 的成员将在实际的项目中测试这套标准， 以提供坚实的检验基础。s p i r j t 己发布s p i r j t l 0 ，包括多家e d a 厂商和i p 公司也 表示支持该标准。 1 3 4 国内i p 标准的现状与发展 我国于2 0 0 2 年成立了“信息产业部集成电路i p 标准工作组( i p c g ) ”，负责 制定我国的i p 技术标准；后来又成立了“信息产业部软件与集成电路促进中心 ( c s i p ) ”和“上海硅知识产权交易中心( s s i p e x ) ”，表明我国的i p 交易基础 设施已经逐步建立起来，为i p 标准的应用和推广奠定了基础。经信息产业部批准工 作组首批成员3 0 个，成员分别来自：i c 设计企业、i c 生产企业、整机企业、高校 和研究所。目前成员近4 0 家。 集成电路i p 标准工作组以促进我国i p 产业的发展为目的，产学研相结合，根据 国际上i p 标准的制定情况，在充分研究国际i p 标准的基础上，建立科学完善的i p 技 术标准体系，制定出我国i p 技术标准草案，为我国i p 产业发展提供标准技术基础， 促进我国i p 设计业的形成和有序地快速发展，提高我国集成电路产业国际竞争能力 剀。i p 标准工作组与国际i p 组织进行了广泛的接触与交流。多家大学与研究所在i p 标准工作组成立前就加入了v s n 组织。i p 标准工作组成立后，与v s i a 经过多次探 讨和协商，在i p 标准及v s i a 中国特别兴趣小组( c s i g ) 的建立等方面达成了合作 的意向；与0 c p 口在i p 的接口标准方面进行了交流。 i p 标准工作组通过搜集整理国际i p 标准，完成了国际i p 标准现状研究报告，并 组织人员编写了软i p 可交付项文档编写指南。根据v s i a 质量评测标准，初步 建立了i p 的质量评估体系，实现i p 设计者的质量在线自评估。该组织对i p 标准的研 究正围绕以下几个方面来进行【9 j ： ( 1 ) i p 复用设计中的文档结构规范； ( 2 ) 总线和接口标准以及内核测试标准的研究和制定； 第一章绪论 ( 3 ) i p 质量的第三方自动评测体系的建立； ( 4 ) i p 数据进入e d a 工具的集成标准； ( 5 ) i p 的知识产权保护标准； 中国集成电路i p 标准的发展，首先需要学习、推荐、推广国外已有的较为成 熟的标准，并为国内相关i p 公司所用，推动i p 设计技术的发展。其次是建立与 国内集成电路设计水平相适应，采用与国际标准相兼容并能够被国际承认的标准。 在i p 设计和交付文档结构、固核可交付项及质量评测规范和质量i p 的第三方评 测等方面做出贡献。第三是积极参与国际标准的制定，在标准研究、制定、使用 和推广中发挥积极作用。在消化吸收的基础上，逐步建立并形成自己的体系架构， 并最终成为国际标准制定的重要力量，是我国i p 标准的发展之路。 1 4 论文的工作结构 本论文的目的是希望通过对i p 质量评估标准的系统、深入的探讨与研究，建 立m 质量评估标准的整体概念并详细讨论影响i p 质量的细节要求，帮助芯片业 者更好的理解i p 质量评估标准的重要性及其意义，帮助提升芯片业者应用质量i p 标准的能力。论文的工作正是围绕着这个目的所展开的。作者注意到s o c 中的i p 质量评估标准对国内芯片业者来说，还是一个相对较陌生的概念，所以论文的工 作开展采用了层次化渐进的方式进行。首先从介绍与m 质量相关的s o c 及i p 的 设计基础知识出发，讨论了s o c 设计的优势、关键和特点，然后提出了i p 标准 问题并介绍了i p 标准概貌，最后聚焦于本论文的核心i p 质量评估标准，通 过对该标准的总体论述和细节研究，最后给出了相应的结论和展望。本论文的工 作结构主要是按照作者在论文过程中的工作开展顺序安排的。论文具体工作结构 如下： l 、第二章首先叙述了s o c 整体系统的设计和验证，对i p 的设计流程、数字 软核的验证以及i p 的集成要求等进行了简要叙述。上述的这些基本知识可以帮助 了解s o c 及i p 的设计思路和概念，并且其中许多的术语，技术细节等在后面的 章节中也会用到。本章的重点是结合s o c 及i p 的设计验证等方面的这些基础知 识，对s o c 的设计展开探讨，讨论主要从以下几个方面进行：s o c 设计所带来的 诸如提高芯片的性能、实现更高性能的系统指标等方面的优势；支持s o c 设计的 关键技术，比如i p 模块库、软硬件协同设计等；s o c 设计有别于传统芯片设计在 系统级、验证等方面的特点。上述这些工作论述了p 质量在s o c 设计中的地位， 引出了i p 关于质量等方面的的标准问题。 2 、第三章首先指出随着口的推广和使用而出现的一系列急需解决的问题。 然后就为了解决这些问题，所施行的i p 标准中较重要的几点进行了详细说明，它 6 s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 们分别是：i p 质量评估标准；i p 接口标准；i p 数据打包与集成自动化；i p 保护。 最后，第三章进行了对i p 质量评估标准进行总体论述以及搭建i p 质量评估标准 总体框架的工作，这些工作分别从以下几方面进行：1 ) i p 质量评估标准从出现 到现在的发展历程；2 ) i p 质量评估标准所具有的意义及其作用；3 ) i p 质量评估 标准所针对的i p 质量问题；4 ) i p 质量评估标准应适于i p 产业链上各方展开那些 具体的工作；5 ) 标准的的延展性等。论文在最后结合图表形式对进行i p 质量评 估的依据及如何利用这些设置进行i p 质量评估进行了说明。本章所进行的这些工 作，从多个角度对i p 质量评估标准的必然性、可行性、客观性及合理性等进行了 论证，提出了i p 质量评估标准的客观依据并利用图表明确阐述了这些依据具体的 运行方式。本章工作搭建出了支撑i p 质量评估标准的框架，为进一步开展工作提 供了坚实的理论依据。 3 、第四章的工作围绕i p 质量评估标准的具体细节展开，通过结合虚拟插插 接口联盟的质量i p 标准中数字软核i p 的相关评估部分，从i p 的集成、设计、验 证以及成熟度等角度出发，详细讨论了影响i p 质量的细节要求。这些细节包括： 1 ) 影响i p 集成复用的文档质量和集成易用性：2 ) i p 设计质量评估部分的内部 设计文档及设计质量细节；3 ) i p 验证质量评估部分的验证细节；4 ) 对i p 成熟 度和供应商的评估。本章的讨论主要采用文字条款项的形式进行，在必要的地方 对属性项的重要程度进行了优先级说明。此外，在设计和验证质量评估讨论中， 由于技术细节要求较多，论文采用了实例和文字结合的形式对评估的要求和作用 进行了说明。上述这些文档和技术方面等繁杂的技术与非技术的细节要求正是决 定一个i p 是否具有高质量的关键。这些有关i p 质量评估标准详细细节的工作充 实了前面章节所搭建的i p 质量评估的“骨架”，进一步证明了i p 质量评估标准 的客观性，可行性等，完善了m 质量评估标准的整体概念。此外，本章的论证工 作能帮助i p 设计者和使用者深入的了解进行i p 质量评估工作的具体过程和细节。 4 、在论文的最后结束语部分，对论文整体的工作进行了总结和展望。回顾和 总结了论文的工作，提出了论文的缺憾，并展望了未来i p 质量评估标准的发展。 第二章s o c 及l p 设计概述 7 第二章s o c 及i p 设计概述 本章首先简述了s o c 的设计验证，i p 的设计，验证和集成方面的基本知识， 在此基础上从设计优势，关键技术和设计特点等方面对s o c 设计进行了探讨。 2 1s o c 设计与验证 s o c 不是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输出等完整的 系统集成在一起，成为一个有某种应用目的的电子系统。与在印刷电路板上实现 的板级系统相比，s o c 系统芯片在性能方面有着无法比拟的优势。这些特点和优 势，正是通过s o c 不同于通常芯片的设计思想及方法所实现的。 2 1 1s o c 设计流程 图2 1 所示是基于可复用i p 的s o c 设计验证流程。它开始于规范的制订、功 能划分，结束于系统集成、验证直至签付，通常由以下几部分组成： ( 1 ) 为系统和子系统制订全面的设计规范； ( 2 ) 精简设计中的结构和算法。有时也包括软件设计和软硬件协同方针； ( 3 ) 将芯片功能划分为定义好的核； ( 4 ) 设计或者选择合适的核； ( 5 ) 把核进行集成，进行功能验证和时序验证； ( 6 ) 将子系统或系统提交给下一级更高层次的集成；如果是顶层，则投片； ( 7 ) 设计验证的所有方面( 功能、时序等) ； ( 8 ) 设计签付。 传统的芯片设计方法，即采用该学科专门的方法和工具各自独立地对各种不 同学科领域的设计( 如数字电路、模数混合电路、嵌入式软件) 加以开发，而在 s o c 系统芯片中，这些学科领域的设计共同存在于同一个设计对象之中，这给芯 片的设计验证工作带来了前所未有的挑战【l 们。同时，随着芯片逻辑门数的增长， 在相应器件上所实现的结构和算法也变得更加更复杂。除此之外，芯片制造工艺 也在不停进步。对应于以上芯片结构、工艺、器件等的变化，s o c 需要全新的设 计方法学，过去那种先写出所有模块的i 汀l 编码，再将这些子模块集成到一个共 同的顶层设计下，最后全部展平后再进行综合的方法，对于现在复杂的芯片设计 已经不再适用。为了应对在系统芯片设计过程中出现的各式各样的问题，并且为 s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 了最大化的合理利用现有的资源，不同的公司和设计团队都会有相应的系统芯片 设计流程方法，比如，螺旋式s o c 设计流程；边设计、边修改的设计流程等不一 而足。无论哪种s o c 设计流程，利用可重用i p 进行设计的方法已经成为s o c 设计 的必选方法，因为只有使用该方法，才能使我们在芯片设计过程中有效的控制设 计费用、缩短设计周期并且提高产品质量。目前，设计人员所面临的挑战已经不 再是是否有必要采用可重用设计方法，而是如何使用可重用设计方法，从而使它 在设计过程中发挥更高的效率。 2 1 2s o c 验证流程 系统签付 图2 1 基于可复1 l l ；i i p 的s o c 设计验证流程 s o c 系统芯片的设计，是多学科领域的交叉设计，这不仅给设计工作带来了前 所未有的挑战，也加大了验证的难度，验证将不得不处理数字和模拟验证、软件 硬件验证。验证的目的是要确保设计对象满足在功能规约中所定义的功能要求。 在芯片设计中，仿真与验证是芯片设计流程中最复杂、最耗时的环节，复杂的芯 片其验证工作占到总体设计验证时间的4 0 7 0 【l ”。在为系统建立设计规约的同 时就应当启动设计验证计划。系统规约决定了验证的策略。验证流程如图2 1 所示。 第二章s o c 及l p 设计概述 9 系统芯片验证主要有以下几个方面： ( 1 ) 系统级验证 在系统设计中，根据设计规约对系统的行为进行建模，使用行为性仿真测试 平台对系统的行为进行验证。行为性测试平台的建立可以采用硬件描述语言、c 语言、c + + 语言或测试平台语言( 如v e m 或s p e c m a i le l i t e ) 。一旦证实了系统的 行为正确，就使用库中已有的或设计过程中自创的软件和硬件i p 将系统映射到某 个适当的架构之上，这样就完成了软件和硬件之间的划分。然后使用在系统行为 仿真期间所建立的测试平台去验证该架构的功能和性能。 ( 2 ) s o c 硬件r 几验证 在硬件验证中，寄存器传输级( r t l ) 代码和测试平台( t e s t b e n c h ) 是从系 统设计中得到的。将测试平台转换成或迁移成某种恰当形式来验证l m 代码，从 而验证设计对象的功能。这部分验证主要关注设计对象的功能方面。r t l 验证包 括代码静态( 1 i n t ) 检查、模型形式检查、逻辑仿真、基于事务的验证以及代码覆 盖状况分析。 ( 3 ) s o c 软件验证 在软件验证中，软件和测试文件从软件小组那里获取。软件验证针对的是通 过系统设计而得到的设计规约。可以使用软原型、快速原型系统、仿效或软件 硬件协同验证等手段，并根据验证要求进行验证和软件硬件集成。 ( 4 ) 网表验证 对硬件r t l 设计进行逻辑综合，就生成了门级网表。可以使用等价型形式检 查工具，将r t l 代码用作参考设计、将门级网表作为设计实现( i m p l e m e 吡n i o n d e s i g n ) ，验证该网表。这样就确保了r t l 代码和门级网表在逻辑上等价。在将 时钟树( c l o c k1 h e ) 和扫描链添加到设计对象中之后，网表将会有所变化。在时 钟树生成和扫描链插入之后，使用等价型形式检查工具对设计对象作验证以确保 设计对象正确无误。 在芯片规划设计阶段的各个步骤期间都需要执行时序验证来确保设计对象 满足其时序要求。 ( 5 ) 物理验证 对芯片设计作物理验证是为了确保在所实现出来的设计对象中没有物理违 规。物理验证包括设计规则检查( d r c ) 、版图与原理图的比对( l v s ) 、工艺 天线效应分析、信号完整性( s i ) 检查。 ( 6 ) 器件测试 最终器件测试将使用在功能验证期间所产生的测试向量。器件测试将检查器 件制造的是否正确。器件测试所关注的是芯片的结构( 如连线的连接、逻辑门真 值表) ，而不是其功能。使用在功能验证期间所建立的设计平台和( 或) 使用自 l o s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 动测试模式生成器( a t p g ，a u t o m a t i ct e s tp a t t 咖g e n e r a t o r ) 工具来生成制造器 件时所用的测试向量。在验证产生满意的结果之后，设计对象就已经就绪，可以 进行制造签付了1 1 2 j 。 不管是功能级、逻辑级还是门级，仿真验证是一个电路设计必不可少的。s o c 芯片的规模往往远大于普通的a s i c ，同时由于深亚微米工艺带来的设计困难， 都将使得s o c 设计的复杂度大大提高。仿真、验证一个设计要花费不切实际的时 自j ，甚至根本无法完成全面的仿真验证，因此有的设计者缩小电路的仿真范围或 不作详细仿真，这往往导致设计失效。在s o c 的验证中，不仅要保证单个模块的 功能得到完全验证，同时还要从系统的角度，在整个芯片的水平上做软件、硬件 的协同验证，保证s o c 芯片功能得到充分验证。因此，迫切需要一个s o c 仿真验 证平台，提供s o c 验证的方法，提高仿真与验证的自动化，加快s o c 芯片的开发。 2 2i p 的设计、验证与集成 开发具有知识产权的i p 模块，基于重用的设计构思、设计和验证，是基于i p 模块的片上系统设计方法实现的重要手段。i p 的设计在实现具体的功能的同时还要 考虑设计的可重用性、可测性以及测试的可重用性等。i p 的质量是的最重要的因素， i p 模块必须是可重用、可再定向、可配置、可升级的，而且i p 升级应符合可重用标 准以确保升级后i p 模块的可重用性。 2 2 1 i p 设计流程 i p 设计流程大体上可划分为四个主要阶段：定义i p 关键特征及规划和制定 设计规范；模块划分、子模块的定义和设计；顶层模块的设计；测试生产及产品 化。详细流程如图2 2 2 4 【1 3 】【1 4 】所示 ( 1 ) 确定规格和划分模块i p 的规格至少包含以下内容：概述、功能需求、 性能需求、物理需求、详细的结构模块框图、对外系统接口的详细定义、可配置 功能详细描述、需要支持的制造测试方法、需要支持的验证策略等。确定规格的 过程一般又包括行为建模进行功能论证，可行性分析就性能和成本进行折中等活 动。划分模块是指规划师在给出i p 结构模块框图的同时，对于每个子模块给出 一个详细的功能描述，同时必须明确子模块之间的接口的时序要求。只有规划好， 才能够建设好。确定规格和划分模块是i p 开发是否成功最为关键的一步。 ( 2 ) 子模块定义和设计；设计小组对所有子模块的规格进行讨论和审查，重 点检查时序接口和功能接口的一致性。设计者随后整理出子模块的详细设计方案。 接下来设计者按照实现方案开始编写r t l 代码、编写时间约束文件、综合的批处 第二章s o c 及i p 设计概述 理文件、子模块验证用测试平台( t c s t b e i l c h ) 和测试套件( t e s ts u i t e ) 等。当这些 工作完成并通过代码规范性检查、测试覆盖率检查、功能覆盖率检查、性能分析 包括d f t 、s t a 检查、功耗分析检查等验收以后，这个子模块就可用来与其他模 块一起集成了。 图2 2i p 子模块设计流程 【子模块l 】”【子梗块一l 】【子模块司 ill 【 例化子模块生成】雯层梗块 【 r 严生琐层缧台1 【批处理立件j 。功i 黜訾k 。，l jy f i l o 加】 y s s v c sj 【翻鬻】 o d d s l m ， j 嶝性 插入扫描链、 t p g l 进行可测试性分析 t e s t c m l l f ，t e s 慷q e 1 s c 枷氍t e s t 对每种可配置工作 梗式进行回归测试。 y 口1 1 p 椰l s l m d i t o i 笔m d c o 叩i 1 f ，l 。- o d e l s i - ，y s s ，v c s ， l r “p z i 。7 j j 【 软i p 产品化流程 图2 3 顶层模块设计 s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 ( 3 ) 顶层模块设计：顶层模块的设计就是把子模块集成起来，产生顶层模块，并 对它做综合处理和功能验证。综合过程包括编写综合的批处理文件，在不同的参 考库上综合，针对在制造上的可测试性插入扫描链、a t p g ，并进行最终的性能分 析和功耗分析等。验证过程包括根据由行为模型发展来的测试向量对顶层模块进 行仿真测试，针对i p 模块的可配置选项进行多种配置条件下的回归测试，利用仿 真工具检验测试向量的覆盖率等。 ( 4 ) i p 产品化的过程包括以下几个部分：提供i p 设计和验证用测试平台， 用商用转换器进行打包提交，但转换后需要重新验证，比如做回归测试以确保转 图2 4i p 的最终提交 换有效，并强调在几个主流仿真器上做仿真，在几种主要工艺库上做综合，做门 级仿真，形式验证以保证网表和r t l 级的一致性，产生或更新用户文档等。如果 是硬i p 的开发，还需要在顶层模块( 软i p ) 的基础上进行布局布线，版图提取， 时序分析和形式验证，集成到试用该i p 的原型芯片内进行试制投片，并在演示板 上得到验证。 在设计过程中应该着重注意以下几点：( 1 ) 代码编写规则和可综合的书写规 范是实现i p 的基础，可保证i p 在任何e d a 工具下编译和综合的正确性。( 2 ) 为 了在s o c 集成时消除综合产生的风险，为了容易地将i p 集成到芯片中，需要针对 标准化的接口或片上总线进行设计以适应需求。( 3 ) 设计中要尽量将i p 接口部分 与功能部分分开，单独作为一模块进行设计，当需要集成到其它互连协议中时， 只需修改接口部分。为尽可能地提供灵活性，允许综合时设置多个参数。 ( 4 ) 第二章s o c 及i p 设计概述 对i p 模块进行优化设计，优化的目标通常为“四最”，即芯片的面积最小、运算 速度最快、功率消耗最低、工艺容差最大f 1 5 l 。 2 2 2 i p 验证流程 从i p 的角度，验证可被分为i p 验证、集成验证和系统验证。口设计在完成 编码阶段以后，对其功能的测试验证是一项非常重要的内容，因为这直接关系到 i p 资源的可用性。根据i p 种类的不同，所需进行的验证流程会有所不同，根据 本论文的需要，在这罩重点介绍数字软核以r t l 代码形式交付的i p 的验证 流程。 验自e 通过的 r t l 代码 图2 5 数字软核模块验证流程 图2 5 是数字软核模块验证的方法流程。该方法假定输入的是i p 功能块的r t l 代码。通过l h n ( 代码静态) 工具检查r t l 代码的语法和可综合性。模型形式检查 是用来验证设计对象的行为属性。因此，模型检查工具将设计对象的约束和属性 用作输入。l u l 叻能仿真是用功能块级的测试平台。可以对功能块运行基于时间或 给予周期的方针，这取决于仿真的需求。协议相符性( p r o t o c o l c o m p l i 锄c e ) 测试 用来验证片内总线和接口总线协议。定向随机测试将检查控制逻辑中的各种边角 1 4 s o c 中i p 核质量评估标准的探讨与研究 情况。这些定向随机测试是用各种概率分布函数，如泊松分布、均匀分布，这样 就能够使用现实的统计模型进行仿真。代码覆盖状况将用来查明设计对象中未经 测试的地方。有些i p 供应商使用快速原型或仿效系统来验证设计【l6 】。功能块级的 验证主要有： ( 1 ) l i n t ( 代码静态) 检查 l m 检查用于提高设计对象的代码品质和验证生产率。它将对r t l 代码中的 语法错误、可综合性、未初始化的变量、不支持的( 语法) 结构以及端口不匹配 等问题进行分析并调试。有些l i n t 检查工具可以做状念机提取并检测竞争条件。 对于这些类型的检查，使用h d l 仿真器或综合工具来调试设计对象缺乏效率， 而l i n t 检查工具不需要使用测试平台。 ( 2 ) 模型形式检查 在设计验证时，要检测出依赖于某一特定时间序列的设计缺陷是非常困难的。 不能在设计早期检查出设计缺陷，将会对设计周期产生严重的影响。这正是采用 模型形式检查技术的主要推动力。模型形式检查利用形式数学技术束验证设计对 象的行为属性。它可以成功地验证硬件设计。模型检查器将针对所有可能的输入 条件，探察设计对象的整个状态空间，寻找通过仿真难以检测出来的各种设计缺 陷。模型形式检查技术不需要测试平台，以查询的形式来制定待验证属性【2 “。 ( 3 ) 测试平台的建立与功能验证 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 j ： l 一! 图2 6 自核对式测试平台 测试平台是为了向被测设计对象施加输入模式( 即激励) 而建立出来的那一 层代码。通过向被测设计对象施加输入激励，对其输出进行采样，并将其输出与 期望结果相比较，这种自核对式测试平台提供了一种用来检测，理解和修正错误 的便捷方式。功能验证是通过测试平台生成被测设计对象的输入激励，收集输出 响应并与期望响应相比较，从而验证设计功能的正确性与否。 ( 4 ) 协议相符性检查 协议检查将验证在仿真期间是否出现总线协议违规和功能块间互连违规。协 议检查将检验以总线为中心的测试，验证当激励生成器施加激励时总线操作是否 正确。对于i p 功能块来说，协议检查将确保功能块能否集成到系统中。 第二章s o c 及i p 设计概述 ( 5 ) 定向随机测试 功能验证环境的品质取决于